Neurone/cellule de Schwann

interactions développementales et fonctionnelles

Dr. Sylvain Bartolami

INSERM U583, Université Montpellier II

INTRODUCTION

Les cellules de Schwann (CS), cellules gliales du système nerveux périphérique, sont surtout connues pour leur capacité à produire la gaine isolante de myéline autour des neurites, gaine indispensable à la propagation rapide du potentiel d’action. En fait, les CS sont bien plus que cela, ce sont des partenaires multi-fonctionnels et indispensables pour les neurones puisqu’elles interviennent dans : (1) Le développement : Les cellules de Schwann participent à la survie des neuroblastes et des neurones et à la pousse des axones en produisant des facteurs neurotrophiques et une matrice extracellulaire. (2) Le fonctionnement : Les cellules de Schwann jouent un rôle prépondérant dans la conduction de l'influx nerveux en isolant électriquement les fibres nerveuses, en provoquant la concentration des canaux ioniques neuronaux au niveau des nœuds de Ranvier et en contrôlant de l'environnement ionique des neurones. (3) La régénération : Une caractéristique majeure des cellules de schwann est qu'elles permettent la réparation des lésions nerveuses, lors de la dégénérescence Wallérienne, en éliminant les débris cellulaires et en stimulant la régénération des fibres nerveuses.

Les neurones exercent, en retour, un effet stabilisant sur la survie et la différenciation des cellules de Schwann. Dans les nerfs matures, les cellules de Schwann atteignent des stades de différenciation qui reposent sur des signaux portés par les axones. Si ces derniers dégénèrent, les cellules de Schwann se dédifférencient et se multiplient.

La lignée schwannienne : développement et différenciation.

(Mirsky & Jessen, Curr. Op. Neurol. 1996, 6, 89-96; Zorick & Lemke Curr. Op. Cell Biol., 1996, 8, 870-6)    

  

Figure 1: Schéma simplifié des principaux stades de la maturation des CS

Les CS dérivent des cellules souches multipotentes de la crête neurale (Fig. 1, également génératrices des neurones et des mélanocytes). A partir de ces dernières naissent des précurseurs de CS qui migrent le long des neurites et dont la principale particularité est de dépendre des neurones pour leur survie. Ces précurseurs se différencient ensuite en CS embryonnaires (Fig2.) Cette étape de maturation est caractérisée par l'induction de l'expression de la protéine S100, protéine spécifique des CS dans les nerfs périphériques (Fig. 3). Ensuite, les CS embryonnaires s'engagent dans deux voies de différenciation ( Fig. 4), en fonction du type d'axone avec lequel elles sont associées. Les axones de diamètre supérieur à 0,8- 1 µm dirigent les CS embryonnaires vers le phénotype "myélinisant" (produit la gaine de myéline autour des axones) en passant par un stade intermédiaire de maturation, celui des SC prémyélinisantes. Si l'axone a un calibre plus faible que 0,8 µm, alors les CS embryonnaires deviennent des CS "non-myélinisantes" dont les extensions cytoplasmiques entourent plusieurs axones de manière individuelle (les axones sont isolés les uns des autres). Contrairement, aux précurseurs schwanniens, les CS différenciées (Fig. 5) ne dépendent plus de signaux axoniques pour survivre.

Figure 2: Vues en microscopie électronique à transmission de précurseurs de CS (gauche) qui établissent des contacts étroits avec les neurones embryonnaires, et de CS immatures (droite) ségrégeant individuellement un ou plusieurs axones


Figure 3: Détection de la proteine S100 dans un ganglion et un nerf de rat. Marquage des CS satellites entourant les somas des neurones ganglionnaires (gauche). Coupes transversale (Centre) et longitudinale (droite) du nerf permettant la visualisation des CS marquées par les anti-corps anti S100 (Clichés S. Bartolami, INSERM U583).


Figure 4: Schéma détaillé des différentes étapes de la différenciation des CS en cellules myélinisantes ou non-myélinisantes. Les divres stade de développemnt sont caractérisés par l'expression de protéines spécifiques. Les flèches en double sens signifient que la différenciation est réversible: le maintien de l'état différencié est lié à des interactions complexes avec les neurites. La perte du contact neuronal entraîne la dédifférenciation des CS.

 

 

 


 

 



Figure 5: Vues en microscopie électronique à transmission des deux types de CS différenciées: Une CS myélinisante formant un manchon de myéline (M) autour d'un axone (Ax) de grand diamètre (gauche) et une cellule non-myélinisante (N-M) englobant dans ses extensions cytoplasmiques plusieurs petit axones (droite).


 

 

 

Spécificité moléculaire (Fig. 6). Les phénotypes se distinguent par l'expression d'une batterie marqueurs moléculaires. Ainsi les cellules myélinisantes synthétisent la caveolin-1, la périaxine, les protéines de la myéline: P0, myelin basic protein, myelin associated glycoprotein, peripheral myelin protein 22 (voir aussi annexe 1: La myéline)et des facteurs de transcription tels que Krox 20 et Brn 5. Les CS non-myélinisantes expriment, par exemple, le récepteur à faible affinité des neurotrophines p75, les protéines d'adhésion NCAM et L1, la GAP43, la GFAP, et les facteurs de transcription Krox 24, Pax 3 et c-jun. Enfin, il est à retenir que la différenciation des CS est stabilisée par leurs contacts avec les neurones. Si celui-ci est rompu, alors les CS réagissent en se dédifférenciant et en retournant dans le cycle prolifératif. Les SC sont donc des cellules douées d'une forte plasticité.


Figure 6: Exemples de la diversité moléculaire des CS : 2 marqueurs non myélinisant: Récepteur P75 de faible affinité des neurotrophines (gauche), Neural Cell Adhesion Molecule (centre) et pour le phénotype myélinisant
: Myelin Basic Protein (Clichés S. Bartolami, INSERM U583).


Annexe 1: La gaine de myéline se forme surtout au cours du développement postnatal par l'élaboration d'une spirale cytoplamique autour de la fibre (à droite, en haut). Le cytoplasme est ensuite éliminé de cette spirale qui est composée d'un empilement concentrique de membrane (vues en microscopie électronique, à gauche). Les couches de membrane, qui peuvent au nombre de quelques centaines, constituent la myéline compacte. Outre l'absence de cytoplasme, la myéline se caractérise par la présence de protéines spécifiques comme la PLP et la P0 qui assurent par adhésion homologue la jonction entre les différents feuillets membranaires (à droite en bas). Alors que l'adhésion de la CS sur la fibre nerveuse est en partie accomplie par la protéine MAG (à gauche, en haut).


Une vaste population de CS (Fig 7). Au delà de la dichotomie phénotypique "myélinisante/non-myélinisante" la grande population des CS est divisée en plusieurs familles : les cellules terminales de la jonction neuromusculaire, la glie entérique des intestins, les cellules satellites ganglionnaires associées aux somas des neurones et la glie entourant les fibres nerveuses simplement appelée CS. Parmi toutes ces cellules non neuronales peu d’entre elles sont capables de produire de la myéline. Celles-ci se trouvent principalement dans les nerfs et exceptionnellement dans les ganglions comme le ganglion de Scarpa (ganglion vestibulaire). Toutes les autres CS partagent plus ou moins des caractéristiques du phénotype moins différencié des CS non myélinisantes.

Figure 7: les principales familles de CS.

A- INFLUENCES DES NEURONES SUR LES CELLULES DE SCHWANN

Toutes les CS dépendent intimement des neurones tout au long de leur vie depuis la détermination gliale précoce, leur survie et leur prolifération à la régulation de leur population par apoptose et leur différenciation en cellules myélinisantes ou non-myélinisantes.

1) Le contrôle neuronal du développement glial : signalisation par les neurégulines.

(Pour revue: Adlkofer and Lai, Glia, 2000, 29, 104-111)

Au cours de l’ontogenèse du SNP, les neurones participent activement à la maturation de la glie périphérique. Ainsi, la survie, la migration et la différenciation des cellules non-neuronales dépendent de leurs interactions avec les neurones. Cet impact des neurones sur la glie est réalisé par l’intermédiaire d’une famille de facteurs trophiques: les neurégulines (NRG).

Les différentes Neurégulines (Fig 8). Quatre gènes ont été clonés à ce jour (NRG-1, 2,3 et 4), seule la fonction des produits de NRG1 commence à être bien connue. Ce gène, par épissage alternatif, conduit à l’apparition de 3 types de polypeptides: Type1 (ARIA, NDF, HER), Type 2 (GGF) et Type 3 (SMDF). Toutes les NRG possèdent un domaine EGF-like dans leurs régions extracellulaires qui est prépondérant pour leurs activités biologiques. Ainsi, in vitro les effets de NRG sont mimés par le seul domaine EGF-like. Les NRG sont des protéines transmembranaires qui peuvent être libérées de la membrane par clivage protéolytique. Si les NRG ainsi sécrétées appartiennent aux types 1 et 2, elles peuvent se concentrer au niveau de la matrice extracellulaire car elles possèdent un domaine Ig-like capable d’adhérer aux héparines sulfate protéoglycanes. Un tel phénomène de concentration est rencontré au niveau de la plaque motrice et concerne les NRG de type 1.

Figure8: les différentes neurégulines

Les récepteurs des NRG (Fig. 9 et 10). Les NRG agissent comme la plupart de facteurs trophiques sur des récepteurs tyrosine-kinases. Ici, il s’agit des récepteurs erbB dont le prototype familial est le récepteur de l’EGF (EGFR ou erbB1). Les NRG agissent via les récepteurs erbB2,3 et 4. Une molécule de ligand se fixe sur une molécule réceptrice et provoque sa dimérisation avec une autre molécule erbB. Les principaux dimères sont erbB2/erbB3, erbB2/erbB4 et erbB4/erbB4. Les NRG n’ont pas de réelle affinité pour erbB1/EGFR, mais se lient avec une haute affinité sur les récepteurs erbB3 et 4. Le récepteur erbB2 n’a pas de ligand connu, il est activé par les NRG lorsqu’il participe à la formation d’un hétérodimère avec erbB4 ou erbB3. ErbB2 est donc plutôt un co-récepteur pour les NRG mais ce dernier est prépondérant pour la médiation de l’activité biologique de ces facteurs trophiques gliaux. ErbB4 et erbB3 possèdent de véritables sites de liaison pour les NRG, erbB4 possède également un domaine catalytique tyrosine kinase dans sa partie C terminale capable de trans-activation et de cis-activation par phosphorylation. Quant à erbB3, il a la particularité de ne pas posséder de domaine catalytique dans sa région intracellulaire, il est donc activé par trans-phosphorylation par erbB4 et erbB2.


Figure 9. Les récepteurs des neurégulines



Figure 10: double immunomarquage de CS en culture exprimant les recpeteurs erbB2 et erbB4. Les CS sont identifées par l'expression de la protéine S100

 

Les principaux systèmes de transduction activés par la phosphorylation des récepteurs erbB sont la voie des MAP kinases et celle de la PI3 kinase (Figure 11)

Figure 11: l'activation par les neurégulines des récepteurs tyrosine-kinases erbB permet la mise en jeu de facteurs de transcription puis de gènesspécifiques d'évènements majeurs dans la physiologie cellulaire (survie, prolifération...). Cette mise en jeu passe par deux principaux systèmes de transduction: celui de la PI3 kinase et celui de Ras et des MAP kinases.

Les mutants de la signalisation NRG-erbB. Grâce à des souris KO invalidant la signalisation intercellulaire via les NRG (NRG1-/- erbBs-/- et erbB4-/-) on a démontré que ces molécules sont impliquées dans le développement cardiaque et le développement du SN. L’annihilation de l’expression de NRG1, erbB2 et 4 provoque la mort des embryons par déficit cardiaque (malformation ventriculaire) vers E10. Dans le cœur, NRG1 active le dimère erbB2/erbB4, les NRG1 sont produites par les cellules endocardiques alors que les récepteurs sont synthétisés par les cellules myocardiques adjacentes aux premières. Grâce à des mutants erbB3-/- qui permettent la survie des embryons jusqu’à la naissance on a observé l’absence des CS et de leurs précurseurs (Fig.12). Ce qui démontre l’importance du système NRG/erbB dans le développement de ces cellules. Sur le plan de l’activité biologique, le dimère erbB2/erbB3 est le principal récepteur impliqué par les NRG1 dans la prolifération et la survie des CS néonatales.

Les NRG1 ont également des effets sur des cellules non gliales. Comme on l’a vu avec les mutants, elles agissent sur les tissus cardiaques, au niveau de la jonction neuromusculaire les NRG de type 1 (ARIA) régulent l’expression des récepteurs cholinergiques dans les muscles en développement et matures, et permettent aussi l’insertion de ces récepteurs dans la membrane plasmique des myotubes. De plus, les NRG1 provoquent la concentration de canaux Na+ voltage dépendant dans cette jonction. A ce niveau les NRG sont sécrétées et se lient par leurs domaine Ig like à la matrice extracellulaire ce qui participe au maintien d’une grande concentration de récepteurs nicotiniques dans la plaque motrice. Les NRG1 modifient aussi l’expression des récepteurs NMDA dans le cervelet (transition isoformes 2B vers type 2C). Au niveau des ganglions orthosympathiques, l’expression des récepteurs nicotiniques est induite par les NRG1.

 

Les effets des NRG1 sur les CS. Les NRG1 produites par les neurones participent donc de manière prépondérante dans la maturation de la lignée schwannienne. Dès la phase de détermination, les NRG (isoforme III) agissent en induisant l’engagement des cellules progénitrices des crêtes neurales vers la lignée gliale au détriment des lignées neuronale et mélanocytaire. A ce stade précoce du développement, la source probable de NRG sont les neurones du tube neural et des ganglions rachidiens (DRG). Ces progéniteurs donnent naissance à E14 à des précurseurs de CS qui dépendent de signaux axoniques pour survivre, proliférer et se différencier. Le vecteur de ce support neuronal sont les NRG (isoforme I et II). Cette dépendance permet d’adapter la population gliale à celle des neurones: seules les cellules en contact avec les neurones survivent. Passé ce stade “précurseur”, les CS embryonnaires deviennent indépendantes des NRG et survivent grâce à une sécrétion autocrine de NT3, IGF2 et PDGF-BB. Cependant ce sont les NRG qui induisent la différenciation des précurseurs en SC embryonnaires. La dépendance de la survie gliale vis à vis de NRG est aussi présente au niveau des nerfs (pour adapter finement le nombre de CS prémyélinisantes aux fibres) et des plaques motrices (où les CS terminales sont sauvées de l’apoptose en cas de dénervation de la jonction neuromusculaire par l’ajout de NRG1-II). Chez l’adulte sain, la production de NRG neuronale tombe à des niveau très faible car la différenciation des CS (myélinisation) est associée à une down-régulation des NRG et de leurs récepteurs. A la suite d’axotomie, la présence de NRG est de nouveau détectée dans le segment nerveux distal de la section. Ces NRG1 favorisent à la fois la dédifférenciation des CS myélinisantes et la prolifération post-lésionelle de CS.

Dans ce cas de dénervation, ce sont les CS qui synthétisent elles-même les NRG1. Un résultat confirmé in vitro, où les CS néonatales du nerf sciatique sont capables de produire et sécréter des NRG1-I et II. Enfin, ces NRG1 potentialisent la sensibilité des SC vis à vis d’autres mitogènes (TGF-b1, FGF2 et HGF).

Les NRG stimulent in vitro la migration des CS, cette stimulation s’accompagne de l’activation de la voie des MAP kinases et d’une uprégulation de l’expression de S100 et des protéines du cytosquelette (vimentine et b tubuline) dans les cellules migrantes dont le taux de mitose est pratiquement nul (Meintanis et al., Glia, 2001, 34 : 39-51)

En résumé, les NRG fournissent un nombre approprié de CS pour assurer le processus de myélinisation. Une fois la myélinisation accomplie, la signalisation NRG-erbB est abolie pour n’être réactivée que lors de traumatismes nerveux. Dans ce cas, les NRG sont des mitogènes autocriniens pour les SC puisqu’elles synthétisent ces NRG1.

2) Régulation post natale de la relation 1/1 entre les CS myélinisantes et neurones.

(Nakao et al. J. Neurochem, 1997, 68, 1853-1862)

Au cours de la phase postnatale de ségrégation unitaire des axones de gros calibres par les CS prémyélinisantes, ces dernières entrent en compétition pour établir le contact avec les axones. Les CS qui ne sont pas en contact avec des axones meurent par apoptose. Cette mort cellulaire permet une régulation fine de la population des CS myélinisantes afin d'aboutir à une relation stoechiométrique de 1/1 avec les axones (Fig 12). Le signal de mort programmée est activement médié par p75 (Syroid et al., 2000) et non pas, de manière passive, par défaut de contact axonique et du signal gliotrophique des NRG1. En effet, il a été démontré in vitro que les CS ayant atteint le stade embryonnaire survivent sans contact axonique grâce à une stimulation autocrine multi-factorielle (NT3, IGFs, PDGF-BB; Meier et al., 1999). Par contre, il a été aussi démontré que l'application de NRG sauve de l'apoptose les CS ayant perdu le contact axonique pendant la période postnatale (Grinspan et al., 1996; Syroid et al., 2000; Trachtenberg and Thompson 1996).

Figure 12: Juste après la naissance les CS prolifèrent et entre en compétition les unes avec les autres pour établir un contact avec les fibres nerveuses, celles qui échouent sont privées de facteurs neuronaux de survie et meurent par apoptose.

3) Les cellules de Schwann répondent à l’activité des neurones.

(Pour revue: Fields and Stevens, TINS, 2000, 23, 625-633)

Les cellules de Schwann sont des cellules excitables possédant toute une batterie de récepteurs pour des neuromédiateurs ainsi qu’un équipement complet de canaux ioniques (Na+, K+, Cl- et Ca2+ ; Baker, Prog. Biophys. Mol. Biol., 2002, 78, 83-103) Elle sont donc capables de répondre à des signaux émis pas les neurones pendant leur activité électrophysiologique.

            Le long de l’axone. La stimulation électrique de DRG en co-culture avec des CS à un stade embryonnaire induit une augmentation du Ca2+ intracellulaire dans les cellules gliales (Fig. 13). Cette élévation est liée à la libération non vésiculaire d’ATP par les neurones car ces neurones en culture ne forment pas de synapse. Dans ces CS prémyélinisantes, la réponse à l’activité électrique comprend en plus de l’élévation calcique, l’activation de la CaM kinase II qui phosphoryle CREB. Il s’ensuit une activation « d’early genes » impliqués dans la maturation de CS (fos et Krox 24). Enfin, les trains de potentiels d’action provoquent une diminution du taux de mitose des cellules prémyélinisantes suggérant que l’apparition de l’activité électrique indique aux CS présentes le long de l’axone en développement qu’il est temps de sortir du cycle prolifératif pour répondre à d’autres facteurs induisant la différenciation des CS (production de la myéline). Cette idée est basée sur l’observation que dans la période périnatale correspondant au début de la différenciation, la prolifération de CS diminue de manière concomitante avec l’apparition d’activités électriques spontanées et/ou évoquées sur les axones des neurones des DRG.

Figure 13: Les CS cultivées au stade prémyélinisant, avec des neurones des DRG, répondent à la stimulation électrique des neurones par une augmentation de leur [Ca2+]i. Cette augmentattion est abolie en présence d'apyrase qui dégrade l'ATP.

Le mode de détection schwannien de l’ATP extracellulaire reste mystérieux. En effet, les SC possèdent des récepteurs purinergiques P2X, on ne sait pas s’ils sont responsables des réponses décrites ci-dessus car ces récepteurs sont faiblement sensibles à l’ATP. Il faudrait que l’ATP accumulé dans l’espace confiné entre la SC et l’axone puisse atteindre un très forte concentration (mM pour une activation maximale des P2X). Enfin, chez l’adulte, ce système de communication neurone/glie semble inexistant : bien que les SC matures possèdent des récepteurs purinergiques au niveau des boucles périnodales, elles ne répondent pas aux passages de potentiels d’action.

Au niveau de la plaque motrice. Il a été démontré chez la grenouille et la souris que les CS terminales répondent à la stimulation électrique par une élévation de sa [Ca2+]i, cette élévation est induite par l’acétylcholine libérée au niveau de la plaque motrice par les motoneurones (Fig. 14 et 15; Rochon et al., J. Neurosci, 2001, 21, 3819-3829). Cette élévation du Ca2+ intracellulaire est due à la fois à un influx calcique via des canaux ligand et voltage dépendants mais aussi via une mobilisation de stocks intracellulaires par l’activation de récepteurs muscariniques couplés au cycle desinositols phosphates. Il en découle une modification de l’expression génique dans ces cellules (down-régulation de GFAP (protéine des filaments intermédiaires gliaux) précédemment up-régulé par la privation de l’activité synaptique suivant une dénervation ou un traitement à la TTX (Georgiou et al., Neuron, 1994, 12, 443-455 ; Georgiou et al., J. Neurosci, 1999, 19, 3836-3846).

 

Figure 14: La concentration calcique intracellulaire des CS terminales est accrue lorsque les motoneurones sont stimulés électriquement. Cette réponse calcique est fortement réduite par l'ajout oméga-conotoxine MVIIC qui empèche la transmission synaptique par blocage des canaux Ca2+ voltage dépendants.

 

Figure 15: Les CS terminales de la jonction neuromusculaires élèvent leurs [Ca2+]i en réponse à une stimulation muscarinique.

Annexe 2: autres molécules (différentes des NRG) vecteurs de divers effets neuronaux dur les CS.


B - INFLUENCES DES CELLULES DE SCHWANN SUR LES NEURONES


Les CS sont également importantes pour les neurones puisqu’elles supportent leur survie, elles contrôlent la dynamique du cytosquelette et du transport axonique, elles contribuent à la conduction correcte de l’influx nerveux, elles modulent la transmission synaptique. Elles jouent un rôle prépondérant dans les situations traumatiques en promouvant la repousse des fibres nerveuses et  la ré-innervation des plaques motrices. Des propriétés réparatrices que les CS partage uniquement avec la glie olfactive (olfactory ensheathing cells).

1) Les cellules de Schwann régulent le développement neuronal

(revues : Jessen and mirsky, 1999, TINS, 22, 402-410; Martini, 2001, Muscle & nerve, 24, 456-466)

Les CS sont une source de facteurs neurotrophiques : L’étude des mutants erbB3-/- et des variants erbB2-/- capables de vivre jusqu'à la naissance (grâce à une expression cardiaque de erbB2) a montré que non seulement les CS immatures meurent mais aussi les neurones rachidiens et les motoneurones (Fig 16). Ceci suggère que ces neurones dépendent de facteurs de survie gliaux. Ces facteurs seraient actifs dans une fenêtre développementale précédent le contact entre les neurones et leurs cibles. Une fois ce contact établit, ce sont les cibles qui fournissent l’essentiel des signaux de survie neurotrophiques. Ainsi, à E12 la population de DRG a un effectif normal, mais elle chute de 80% à E14. Le stade où auraient dû apparaître les précurseurs. Chez l’embryon normal, les précurseurs schwanniens et leurs descendants embryonnaires fournissent donc vraisemblablement des facteurs neurotrophiques aux neurones avant que ceux-ci ne dépendent de leurs cibles pour survivre. Parmi les candidats à la fonction de facteurs neurotrophiques gliaux figure le GDNF dont les ARNm ont été détectés dans la glie. Cependant, le GDNF ne semble pas être impliqué dans la survie de neurones rachidiens pendant leurs interactions avec les précurseurs car à cette époque E12-E14 ils ne possèdent quasiment pas de récepteur RET au GDNF. Une autre série d'expérience semble désigner la NT3 comme facteur produit par les précurseurs car dans les KO NT3, les neurones des DRG meurent, en partie, à un stade précoce de développement. A ce jour, aucun véritable facteur neurotrophique issu des précurseurs n'a été caractérisé. Par contre, il est clairement établit que les CS embryonnaires supportent la survie des neurones sensitifs et des motoneurones via le GDNF. Chez l’adulte, la survie des motoneurones est également soutenue par le CNTF associé au LIF (leukemia inhibitory factor).

Figure 16: Le blocage de l'expression des récepteurs erbB2 ou 3 par mutation induit la disparition précoce de la lignée schwannienne dans les nerfs embryonnaires (dès E12.5). Plus tard (E18.5) l'absence de glie cause la mort des motoneurones et des neurones des DRG par défaut d'apport en facteurs neurotrophiques d'origine schwannienne.

Formation des nœuds de Ranvier et positionnement des agrégats de canaux ioniques. (revues supplémentaires: Witt and Brady, Glia, 2000, 29, 112-117) Ces structures complexes sont délimitées par les extrémités de deux CS myélinisantes bordant un segment d’axone libre de toute myéline(Fig 17).

 

Figure 17: Coupe longitudinale d'un noeud de Ranvier. Le noeud de Ranvier, à proprement parlé, est la partie de l'axone non recouverte par la myéline. C'est le site de concentration des canaux Na+ voltage-dépendants indispensable à la génèse de potentiel d'action. Les canaux K+ voltage-dépendants se trouvent surtout dans la zone paranodale qui correspond aux extrémités des manchons de myéline. Notez que le diamètre de l'axone est supérieur dans les zones myélinisées que dans le noeud de Ranvier.

Le nœud de Ranvier est vital au fonctionnement du neurone car il contient tout le complexe appareillage moléculaire nécessaire à la propagation rapide du potentiel d’action .

Du coté des extrémités des SC : les boucles paranodales, on observe la présence de canaux K+ voltage dépendant vraisemblablement impliqués dans le contrôle de l’environnement ionique du noeud (évacuation du K+ libéré par le neurone pendant la phase de répolarisation ionique, présence aussi de la connexine 32 composante des gap-junctions entre les boucles paranodales et des protéines d’adhésion E cadhérine et MAG (myelin associated glycoprotein). Cette zone de forte interaction membranaire avec l'axolème pourrait servir à fixer le manchon de myéline sur l'axone, d'isoler sous la myéline l'espace périaxonal de l'activité électrique des nœuds et de limiter la diffusion latérale des molécules de la membrane

La membrane neuronale contient aussi des protéines particulières : la paranodine (ou caspr ou contactin associated glycoprotein) faisant la jonction entre les CS par son domaine extracellulaire et le cytosquelette axonique, via la protéine 4.1. La paranodine participe à la jonction entre l'axolème et les boucles de la membrane schwannienne. Dans les oligodendrocytes (cellules myélinisantes du SNC), au niveau de la région juxtaparanodale (entre la zone paranodale et l'internoeud: région de l'axone recouvert par la myéline compacte) des canaux K+ voltage dépendants sont rassemblés grâce à leur liaison avec un analogue de la paranodine, Caspr2. (Poliak et al., Neuron, 24, 1037-1047). Le cytosquelette contient aussi des ankyrines qui forment un complexe avec 2 autres protéines : la neurofascine et la NrCam (NgCAM related cell adhesion molecule). Une des fonctions des ankyrines serait d’accrocher dans la membrane, les canaux Na+ voltage dépendants qui sont présent en très forte concentration dans la membrane axonique nodale. C’est là, la plus importante caractéristique fonctionnelle des nœuds de Ranvier.

Il n’y a maintenant plus aucun doute que l’agrégation de canaux Na+ et leur maintien à haute concentration dans le nœud dépend de facteurs issus des CS myélinisantes au cours du développement et chez l’adulte, respectivement. Ainsi de nombreuses observations développementales ou in vitro ont montré que le rassemblement des canaux ioniques dépendant de la présence de CS contre les fibres. Lors de phénomènes de remyélinisation, la distance entre les groupements de canaux augmente avec l’élongation des CS (Cf. ci-dessous §3). Il y a donc une relation dynamique importante entre les groupes de canaux et la CS lorsqu’elle se déplace le long de l’axone. Mais l’influence des CS sur la maturation fonctionnelle de ces structures axoniques va plus loin car des études chez une souris dystrophique (129/Rej-Lama) et in vitro précisent que le contact direct entre axone et CS n’est pas indispensable à l’agrégation des canaux. Un ou des facteur(s) diffusible(s) (encore à caractériser) est (sont) donc sécrété(s) par les CS. Non seulement, ces facteurs provoquent l’apparition de groupe de canaux ioniques mais en plus ils stimulent leurs synthèses (sous-unitées  NaG, Na6, SNS, Nab2). Nota bene, l’essentiel des travaux sur les nœuds de Ranvier concerne les canaux Na+ car ce sont les principaux marqueurs de cette structure.

Ainsi les SC ont une double action sur les axones : 1) elles secrètent des facteurs favorisant la production de canaux ionique Na+ voltage dépendants dont elles provoquent aussi le rassemblement. 2) Ensuite, des interactions entre ces groupes de canaux (ou des protéines associées) et des molécules de la membrane des CS permettent de relier les canaux aux extrémités des CS. Ceci a pour conséquence de contrôler la position des groupes de canaux le long de l’axone, un processus indispensable à la formation des nœuds de Ranvier.

Régulation de la structure de l’axone. Chez la souris mutante Trembler, la perte de la fonction de la protéine PMP22 conduit à une sévère hypomyélinisation. Celle-ci est associée à une réduction du calibre des axones, à une densification des faisceaux de neurofilaments et à une réduction du transport axonique lent. Si l’on transplante des CS trembler dans un nerf normal on observe une réduction du calibre de l’axone uniquement dans la zone où il est en contact avec ces CS mutantes. D’autre part dans l’axone normal, il est aussi établit que les neurofilaments présentent des états de phosphorylation distincts selon s’ils sont localisés au niveau de CS myélinisantes ou non. En présence de myéline compacte, les neurofilaments sont phosphorylés et inversement hypophosphorylés en absence de myéline compacte. C’est exactement ce que l’on constate au niveau des nœuds de Ranvier, les neurofilaments sont hypophosphorylés au niveau du nœud et phosphorylés dans l’internoeud (région de la myéline compacte) (Fig. 18, voir aussi Fig. 17). Un autre exemple, la racine (proximale/centrale) non-myélinisée de certains neurones DRG présente des axones de calibre inférieur à leurs prolongements (distaux/périphériques) myélinisés. Il semble que le mécanisme par lequel les CS modulent directement le diamètre des axones est une régulation d’un cycle de kinase/phosphatase responsable du maintien de l’état de phosphorylation des neurofilaments. La phosphorylation des neurofilaments induit leurs espacements d’où découle une augmentation du calibre des axones.

 

Figure 18: Représentation schématique d'une fibre myélinisée jouxtant un noeud de Ranvier. Le diamètre de la neurite dépend pour beaucoup de l'état de phosphorylation des neurofilaments qui est régulé par le jeu de kinases et de phosphatase. La myéline compacte favorise l'activité de la kinase, (en particulier grâce à sa protéine MAG) les neurofilaments sont phosphorylés. L'espace entre ces derniers devient plus grand et le calibre de la fibre nerveuse s'accroît.

Le signal schwannien qui module ce cycle est la MAG (myelin associated glycoprotein). Cette protéine d’adhésion est localisée dans la membrane schwannienne directement au contact des segments axoniques de gros calibre. La concentration en MAG est bien plus importante dans l'internoeud que dans la région paranodale/juxtaparanodale.

De plus, les mutants MAG-/- possèdent des axones de faibles diamètres dont les neurofilaments sont hypophosphorylés et condensés ainsi qu'une réduction de la formation des neurofilaments L et H (Fig. 19; Yin et al., J. Neurosci, 1998, 18, 1953-1962). Nota bene, il y a une différence entre Trembler et les mutants MAG: dans les premiers il y a une myélinisation transitoire suivie de démyélinisation, dans les seconds il n'y a jamais de myélinisation véritable bien que de la myéline compact soit formée mais elle n'est jamais en contact direct avec les axones.

 

 

Figure 19: L'invalidation du gène de la protéine MAG provoque la formation de tomaculi. Ce sont des défauts de la myélinisation caractérisés par une surproduction de myéline non compacte et l'absence de contact entre la myéline compacte de l'internoeud et la fibre. Il en résulte une absence d'axone de gros diamètre (comparer le sauvage, en D, au mutant, en E.)

Les déficits de myélinisation affectent aussi les microtubules qui, chez Trembler adulte, montrent des signes persistants d'immaturité comme une réduction de la résistance à la dépolymérisation. Cette instabilité des microtubules est vraisemblablement liée à une augmentation de l'association de la tubuline aux protéines Tau de faibles poids moléculaires (chez l'adulte sauvage, on trouve des axones aux microtubules stabilisés par leur liaison avec des protéines Tau de hauts poids moléculaires). Ces données suggèrent que la myéline peut affecter l'expression des gènes du cytosquelette via un signal rétrograde.

            Enfin, les altérations du cytosquelette axonique dans les cas de déficits de myélinisation, s'accompagnent de ralentissement du transport axonal lent, révèlent un nouvel aspect de la dépendance des neurones vis à vis des SC.

2) Les cellules de Schwann sont indispensables au fonctionnement normal du neurone.

            Toutes les observations portant sur des atteintes à l’intégrité de la glie périphérique (via des manipulations génétiques, pathologies, traumatismes, toxicités) démontrent que la physiologie neuronale est fortement compromise en absence de CS saines.

            Le long de l’axone myélinisé (Fig.20). En produisant la gaine de myéline compacte et les complexesnœuds de Ranvier, lesCS myélinisantes sont responsables de la conduction saltatoire rapide du potentiel d’action dans les gros axones. Au cours du potentiel d’action, la phase de repolarisation neuronale est due à un efflux deK+ conduisant à une possible élévation de [K+]e dans la région paranodale. Cette dernière doit être contrôlée pour éviter de perturberla conduction du potentiel d’action en provoquant des dépolarisations locales artéfactuelles. Les CS se chargent de tamponner cette [K+]e dans l’espace restreint entre l’axolème et la membrane abaxonale de la gaine de myéline.

Figure 20. L'isolation électrique de la gaine de myéline et la concentration de canaux Na+ dans les noeuds de Ranvier permet l'apparition de courants locaux d'un noeud à l'autre. Ces courants dépolarisent l'axolème jusqu'au seuil d'ouverture des canaux Na+ ce qui assure le passage du potentiel d'action selon le mode de la prpagation saltatoire (en haut). Lors de la repolarisation un efflux important de K+ à lieu sous la zone paranodale de la gaine de myéline, la CS assure alors le pompage du K+ dans les boucles cytoplasmiques paranodales (en bas).

 

            Le long de l’axone non myélinisé. Dans les nerfs non myélinisés (ex : le nerf vague) le passage de l’influx nerveux produit de très fortes variations des gradients ioniques. Ces variations sont compensées par la Na+/K+ ATPase dont le fonctionnement électrogénique engendre une importante hyperpolarisation. Cette dernière pourrait bloquer le passage des potentiels d’actions suivants si son amplitude n’était pas réduite par l’activation de courants entrants K+  en tout début de la période d’hyperpolarisation. Ces courants K+ court-circuitent partiellement l’effet électrogénique de la Na+/K+ ATPase (Jirounek et al., J Physiol Paris, 2002, 96, 237-241). Il apparaît que ces courants sont liés à l’activation de récepteurs muscariques axonaux par des agents cholinergiques sécrétés par les CS non myélinisantes. Celles-ci répondent ainsi à des signaux neuronaux émis lors du passage du potentiel d’action (Fig. 21). Le vecteur de ces signaux est vraisemblablement de l’ATP (Cf. § A, 3. Les cellules de Schwann répondent à l’activité des neurones) qui provoquerait une élévation [Ca2+]i des CS permettant, en retour, la sécrétion gliale d’un agoniste muscarique.

 

Figure 21. A la suite d'un train de stimulation, une petite dépolarisation apparait à entre la phase de repolarisation et d'hyperpolarisation. (a gauche). Cette dépolarisation a pour finalité de réduire l'amplitude de l'hyperpolarisation. Cette amplitude varie avec la durée de la stimulation et est réduite par l'ajout de carbamylcholine; l'effet de cet agoniste cholinergique est aboli par le bloqueur de canaux K+ TEA qui, de plus, accroit l'amplitude de l'hyperpolarisation par rapport au contrôle (à droite en haut). De même, la scopolamine, antagoniste muscarinique, réduit l'effet de la carbamylcholine et augmente à elle seule l'hyperpolarisation (à droite en bas) . Il resort de ces travaux que la dépolarisation est due à l'activation de récepteurs muscariniques neuronaux qui activent des courants K+ entrant. Ces récepteurs sont activés par des agonistes muscariniques libérés dans la préparation, comme l'atteste les effets du TEA et de la scopolamine observés en absence de carbamylcholine.

 

            Au niveau de la synapse. Les CS sont impliquées dans la « clearance » des neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique, elles sont dotées de mécanisme de pompage pour capturer les neurotransmetteurs, les dégrader voire les recycler plus ou moins directement (à l’image du cycle glu/gln/glu dans le cerveau où le neurone libère du glutamate, capté par l'astrocyte, il est dégradé en glutamine qui est ensuite transmise au neurone afin qu’il la transforme en glutamate). Enfin, grâce à des études au niveau de la plaque motrice de batracien, on sait depuis peu que les neurotransmetteurs agissent non seulement au niveau postsynaptique mais aussi sur les CS périsynaptiques (terminales) (Fig.22). L’impact de ce signal active des systèmes de transduction (PKC/inositols phosphates) capables de modifier le fonctionnement de la CS en augmentant en particulier la [Ca2+]i.Les changements induits concernent l’expression génique (gène de la GFAP) mais aussi induisent l’émission d’un signal rétrograde qui va moduler la présynapse pour accentuer ou réduire l’efficacité de la transmission (Castonguay and Robitaille J. Neurosci, 2001, 21(6):1911-1922). Ce modulateur glial serait perméant à la membrane et affecterait la machinerie de libération de neurotransmetteur au sein de la présynapse.

 

Figure 22. Représentation schématique d'une jonction neuromusculaire où la CS terminale recouvre complètement la plaque motrice (A). Lors de la libération de l'acétylcholine (C), ce neurotransmetteur agit non seulement au niveau postsynaptique mais aussi sur des récepteurs cholinergiques portés par la CS. L'effet cholinergique gliale est une activation du système de transduction des inositols phosphates (D). La mobilisation du Ca2+ des stockes intracellulaires qui en découle induit la production d'un neuromodulateur glial "membrane perméant". Ce dernier agit en retour sur la libération de l'acétylcholine par la terminaison du motoneurone.

3) Les cellules de Schwann assurent la restauration post-lésionnelle des neurones

(pour revues : Fu and Gordon, 1997, Mol. Neurobiol, 14, 67-116 )

Repousse des fibres nerveuses. Lors d’un traumatisme, l’étirement d’un nerf, ou pire sa section provoque une disparition des fibres dans tout le segment nerveux distant de la lésion selon un processus connu sous le nom de dégénérescence Wallérienne. La section de la fibre est suivie par la complète dégradation du segment sectionné. L’extrémité de la fibre, proximale à la lésion, bourgeonne pour former plusieurs cônes de croissance par axone. Les CS de la région distale survivent au traumatisme mais sont affectées par la perte du contact neuronal (Figure23).

 

Figure 23: représentation schématique de la dégénrescence Wallérienne où à la suite d'une lésion neuronale, la partie de la fibre distale de la lésion dégénèrent complètement. Seules les CS persistent dans la zone distale.

 

Dépourvues de signaux axoniques, les CS subissent des bouleversements majeurs dont la finalité est de créer un microenvironnement, délimité par la lame basale, favorable à la repousse des fibres nerveuses (Fig. 24):

 

Figure 24. représentation des divers évènements permettant la repousse axonique gràce à la réaction des CS à la dénervation. pour plus de détails voir le texte.

Les CS myélinisantes entreprennent de se dédifférencier, la synthèse des protéines de la myéline (PMP22 , MAG, P0, MBP...) est stoppée, la myéline est dégradée et ses débris sont phagocytés dans un premier temps par les CS puis dans un second temps par les macrophages recrutés au niveau dans la lésion dans un délais de 48 heures. Stimulées par les débris axoniques et par des facteurs sécrétés par les macrophages, les CS dénervées et dédifférenciées prolifèrent à l’intérieur de l’endoneurium (spécialisation de la matrice extracellulaire en lame basal qui sépare un axone et ses CS des autres fibres au sein du nerf). Elles forment en s’allongeant des faisceaux continus (disparition de l’espace du noeud de Ranvier) dans l’endoneurium, ces alignements de CS s’appellent les tubes endoneuriaux ou les bandes de Büngner. Les CS dénervées acquièrent aussi un phénotype proche de celui des cellules non-myélinisantes et immatures en activant la synthèse de divers protéines dont des facteurs de croissance et leurs récepteurs (neurotrophines, NRG1, PDGF-BB, IGF1 et 2...), des protéines d’adhésion (NgCAM , L1, N-cadhérine) et des protéines de la lame basaledélimitant l’endoneurium (la laminine, fibronectine, collagènes,protéoglycanes...). Toutes ces modifications concourent à produire un environnement propice à la neuritogenèsepost-lésionnelle, à stimuler cette dernière (S100 est une protéine neuritogénique) mais aussi à garantir la survie des SC. Nota bene: au cours de la période postnatale, les lésions neuritiques s'accompagnent d'une mort des cellules gliales car à ce stade développemental les CS dépendent encore de signaux neuronaux pour leur survie. Une fois la repousse des fibres achevée, les CS se redifférencient, forment de la myéline compacte et reproduisent des évènements développementaux en régulant le calibre des axones et en concentrant les canaux Na+ par leur exclusion des zones de l'axolème en contact avec la myéline compacte (Fig 25).

Figure 25. Les CS myélinisantes excluent les canaux Na+ voltage dépendants des zones myélinisées de l'axone. Les canaux sont regroupés et poussés devant les CS s'allongeant le long de l'axone. Lorsque 2 CS se rejoignent, elles laissent entre elles un espace où se concentrent les canaux Na+, c'est le futur noeud de Ranvier.

 

Réparation synaptique. (revue Son et al., 1996, TINS, 19, 280-285) La repousse des fibres nerveuses ne peut avoir de sens physiologique que si elle est suivie par une néosynaptogenèse. C'est ce que l'on a observé dans la jonction neuromusculaire où les CS terminales d'un nerf partiellement lésé répondent en formant de prolongement qui rejoignent d'autres plaques motrices encore ou non innervées. Si la plaque motrice est encore innervée, alors le prolongement de la CS provoque le bourgeonnement des terminaisons des motoneurones et guide ensuite le cône de croissance vers la plaque motrice dénervée (Fig 26)

:

Figure 26: Réparation synaptique lésion partielle

. S'il s'agit d'une section complète alors c'est la première fibre qui réussi à rétablir le contact avec une plaque motrice qui va ensuite émettre des collatérales vers d'autres jonctions. Il est possible qu'ensuite un autre axone réinnerve une plaque motrice déjà contactée par une collatérale, on aura alors une plaque motrice innervée par plusieurs neurones (jonction poly-neuronale) (Fig 27).

 

Figure 27: En cas de section complète d'un nerf (A,B,C,D) il n'y a plus de plaque motrice fonctionnelle. Il faut que le processus de repousse axonique, décrit plus haut, réussisse dans la partie distale vis à vis de la section. Une fois la repousse réalisée, la fibre arrivant au muscle innerve une première plaque motrice. Puis les extensions des CS terminales d'autres jonctions neuromusculaires provoquent le bourgeonnement de cette terminaison qui innervera d'autres synapses. Il en résulte une innervation poly-neuronale du muscle.

La figure de gauche précise que plus la lésion nerveuse est grave moins les pontages schwanniens sont nombreux.

L'élongation de CS terminales dénervées ne se fait pas au hasard. En effet, ces prolongements se propagent que vers des plaques motrices encore innervées. Ceci suggère que les jonctions neuromusculaires fonctionnelles attirent les prolongements gliaux. D'ou l'idée que c'est l'activité de la neurotransmission motoneurone/fibre musculaire qui signale à la CS dénervée vers où elle doit émettre ses prolongements. Cette hypothèse est confirmée par le fait que le blocage de la libération d'acétylcholine par la toxine botulique (botox) comme celui des récepteurs nicotiniques par l'a-bungarotoxine conduit à une réduction du nombre de plaque motrice saine contactées par des prolongements de CS périsynaptiques (Love and Thompson, J Neurosci, 19, 10390-10396).

Figure 28. Cette étude anatomo-fonctionnelle montrent que les élongations schwanniennes (bridge en C) issues de la plaque motrice "3" (A) ne se font pas au hasard. En effet, les prolongements des CS se dirige spécifiquement vers la plaque motrice "4" et vers les plaques "1 ou 2" car seule la plaque motrice 4 est fonctionnelle comme le montre le marquage immunocytochimique des neurones (B). C'est l'activité synaptique qui produit un signal attirant les prolongements gliaux car le blocage de la transmission cholinergique par la toxine botulique ou des antagonistes des récepteurs niconique inhibent la formation des pontages schwanniens.

 

En résumé(Fig 29), le couple neurone-cellule gliale est une entité physiologique indispensable au bon fonctionnement du système nerveux. Au sein de cette entité, le développement, la différenciation et le fonctionnement de chacun des 2 partenaires impliquent une communication bidirectionnelle complexe utilisant des facteurs de croissance, des neuromodulateurs et des neurotransmetteurs. Par exemple, la survie, la maturation et la réparation des neurones sont favorisées par la sécrétion gliale de neurotrophines, GDNF ou CNTF (pour ne citer que les principaux messagers). Inversement, la prolifération, la survie, la migration et la différenciation des CS sont contrôlées par les neurégulines (ainsi que le FGF2 et d’autres cytokines) libérées par les neurones. Enfin, la conduction et le transfert de l’influx nerveux est assuré par un « échange » d’ATP et d’acétylcholine entre les neurones et les CS.

Figure 29: schéma récapitulatif des communications neurone/schwann

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