MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ET DE LA RECHERCHE
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2006
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Niveau: Supérieur
MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ET DE LA RECHERCHE ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES Sciences de la Vie et de la Terre MEMOIRE Présenté par Valérie Forster-Fradot Pour l'obtention du Diplôme de l'Ecole Pratique des Hautes Etudes MISE AU POINT ET VALIDATION D'UN MODELE DE PHOTORECEPTEURS A CONES EN CULTURE POUR LA RECHERCHE DE FACTEURS NEUROTROPHIQUES Soutenu le 30 novembre 2006 devant le jury suivant : Mme Flore Renaud Président du Jury Mme Sylvie Demignot Rapporteur Mme Carine Nizard Rapporteur M. Serge Picaud Examinateur M. Jean-Claude Jeanny Examinateur Laboratoire de Pharmacologie cellulaire Directeur : Pr Jean Chambaz Université Pierre et Marie Curie Inserm U505 – IFR 58 15 rue de l'Ecole de Médecine 75006 Paris Laboratoire de Physiopathologie Cellulaire Directeur : Pr José-Alain Sahel et Moléculaire de la Rétine INSERM U592 Bâtiment Kourilsky 184 rue du Fbg St-Antoine 75571 Paris cedex 12 Ecole Pratique des Hautes Etudes Sciences de la Vie et de la Terre EPHE Banque de Monographies SVT 1
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MINISTERE DE L'EDUCATION NATIONALE ET DE LA RECHERCHE ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES Sciences de la Vie et de la Terre MEMOIRE Présenté par Valérie Forster-Fradot Pour l'obtention du Diplôme de l'Ecole Pratique des Hautes Etudes MISE AU POINT ET VALIDATION D'UN MODELE DE PHOTORECEPTEURS A CONES EN CULTURE POUR LA RECHERCHE DE FACTEURS NEUROTROPHIQUES Soutenu le 30 novembre 2006 devant le jury suivant : Mme Flore Renaud Président du Jury Mme Sylvie Demignot Rapporteur Mme Carine Nizard Rapporteur M. Serge Picaud Examinateur M. Jean-Claude Jeanny Examinateur Laboratoire de Pharmacologie cellulaire Directeur : Pr Jean Chambaz Université Pierre et Marie Curie Inserm U505 – IFR 58 15 rue de l'Ecole de Médecine 75006 Paris Laboratoire de Physiopathologie Cellulaire Directeur : Pr José-Alain Sahel et Moléculaire de la Rétine INSERM U592 Bâtiment Kourilsky 184 rue du Fbg St-Antoine 75571 Paris cedex 12 Ecole Pratique des Hautes Etudes Sciences de la Vie et de la Terre EPHE Banque de Monographies SVT 1
- corps cellulaires des photorécepteurs
- epithelium derived
- rétine
- principe de sélection des cônes par adhésion spécifique
- photorécepteurs
- cône
- factor
- lumière en influx nerveux
- cellules gliales
- couches nucléaires
MINISTERE DE L’EDUCATION NATIONALE ET DE LA RECHERCHE ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES Sciences de la Vie et de la Terre MEMOIRE Présenté par Valérie Forster-Fradot Pour l’obtention du Diplôme de l’Ecole Pratique des Hautes Etudes MISE AU POINT ET VALIDATION D’UN MODELE DE PHOTORECEPTEURS A CONES EN CULTURE POUR LA RECHERCHE DE FACTEURS NEUROTROPHIQUES Soutenu le 30 novembre 2006 devant le jury suivant : Mme Flore Renaud Président du Jury Mme Sylvie Demignot Rapporteur Mme Carine Nizard Rapporteur M. Serge Picaud Examinateur M. Jean-Claude Jeanny Examinateur Laboratoire de Pharmacologie cellulaire Directeur : Pr Jean Chambaz Université Pierre et Marie Curie Inserm U505 IFR 58 15 rue de l’Ecole de Médecine 75006 Paris sylvie.demignot-u505@bhdc.jussieu.fr Laboratoire de Physiopathologie Cellulaire Directeur : Pr José-Alain Sahel et Moléculaire de la Rétine INSERM U592 Bâtiment Kourilsky 184 rue du Fbg St-Antoine 75571 Paris cedex 12 picaud@st-antoine.inserm.fr Ecole Pratique des Hautes Etudes Sciences de la Vie et de la Terre
MISE AU POINT ET VALIDATION D’UN MODELE DE PHOTORECEPTEURS A CONES EN CULTURE POUR LA RECHERCHE DE FACTEURS NEUROTROPHIQUES présenté le 30 novembre 2006 par Valérie Forster-Fradot
Les rétinopathies pigmentaires regroupent un ensemble hétérogène de dégénérescences des cellules photoréceptrices : au cours de ces pathologies, la mort des photorécepteurs à bâtonnets conduit à la perte des photorécepteurs à cônes, cellules neuronales essentielles à la vision diurne et celle des couleurs. Ces dégénérescences conduisant à la cécité sont actuellement sans traitement, mais la découverte d’un facteur de survie diffusible libéré par les bâtonnets ainsi que la neuroprotection induite par certains facteurs de croissance, permettent d’aborder des stratégies thérapeutiques. Dans ce projet, nous avons sélectionné les photorécepteurs à cônes à partir de rétine de porc adulte, grâce à l’utilisation de la lectine de cacahuète (Peanut Agglutinin) : cette lectine se fixe spécifiquement sur des chaînes glycosylées de la surface membranaire des cônes. En ensemençant une suspension cellulaire mixte contenant tous les types cellulaires de la rétine (6 types de neurones, 3 types de cellules gliales), sur des lamelles prétraitées à la PNA, les cônes adhèrent au support, et les autres types cellulaires sont éliminés par rinçages. La pureté de la culture a été estimée à 92%, après identification des cellules sélectionnées par différents marqueurs. Le principe de sélection des cônes par adhésion spécifique a également été démontré pour la rétine humaine. Les cônes de la rétine de porc adulte survivent en culture pendant plusieurs jours, et nous nous sommes placés à 7 jours, pour l’étude de l’effet d’agents neuroprotecteurs (facteurs de croissance
) sur leur survie : en condition contrôle, le nombre de cellules viables est alors de 25%, et la survie peut être augmentée jusqu’à 65%, en présence de facteurs de croissance (FGF2, CNTF, GDNF, PEDF). Des milieux conditionnés à partir de cellules gliales, ainsi que des milieux de issus de transfection par un plasmide codant pour un facteur de survie des cônes (RdCVF) ont été testés. La protection d’un inhibiteur de canaux calciques a été étudiée, après induction pharmacologique de la dégénérescence de ces cellules, par un mécanisme identique à celui observé en pathologie. Les cônes ne représentant que 20% des photorécepteurs chez le porc (5% chez l’homme), et 3% chez les rongeurs, ce modèle apporte un complément à l’étude de l’effet de facteurs neuroprotecteurs : dans les modèlesin vitro, tels que les cultures mixtes, ou les explants rétiniens, l’effet de molécules sur la survie des cônes peut avoir lieu par l’intermédiaire d’autres types cellulaires, notamment les cellules gliales. L’effet neuroprotecteur directement sur les cônes a donc pu être démontré grâce à ce nouveau modèle de culture pure, et constitue une première approche thérapeutique avant le criblage d’agents pharmacologiques. Mots clés: Culture cellulaireDégénérescences rétiniennes Photorécepteurs à cônes Sélection Facteurs de survie INTRODUCTION
......5 I. ANATOMIE DE L’OEIL
...
...5 II. LA RETINE
....5 a) les neurones
.. b) les cellules gliales
.... III. LES PHOTORECEPTEURS
....9
6 7
a) caractéristiques propres à chaque type de photorécepteur
...9 b) fonction des photorécepteurs
..12 c) la phototransduction
.......12 d) caractéristiques des photorécepteurs les prédisposant à la mort neuronale
14 e) l’épithélium pigmentaire
..
...15 IV. LES PATHOLOGIES DES PHOTORECEPTEURS
...15 a) Dégénérescences des photorécepteurs : l’apoptose
18 V.POSSIBILITES THERAPEUTIQUES AU COURS DES RETINOPATHIES PIGMENTAIRES
..19 A. STRATEGIES THERAPEUTIQUES ET MODELES ANIMAUX
...19 a) Restauration fonctionnelle
..20 1. Thérapie génique
20 2. Transplantation de tissu
.....22 3. Neurogenèse et réparation tissulaire rétinien
.23 4. Vision artificielle
24 b) Stabilisation fonctionnelle : neuroprotection pharmacologique
24 1. Vitamine A
.24 2. Activation chronique de la cascade de phototransduction
.25 3. Inhibiteurs calciques
...25 c) Facteurs intervenant dans la survie des cônes
...
.26 1. Facteurs de croissances
..26 2. Facteur de survie
28 B. MODELES CELLULAIRES
.30 VI. OBJECTIFS DU TRAVAIL
.
..32
ABREVIATIONS AMPAα-amino-3-hydroxy-5-méthyl-isoxalone-propionate ARNm Acide ribonucléique messager BDNF Brain-Derived Neurotrophic Factor CGM Cellules gliales de Müller cGMP cyclique Guanosine Mono Phosphate CNTF Ciliary Neurotrophic Factor CTB Cell Tracker Blue DAPI Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride DMEM Dulbecco’s Modified Eagle Medium DMLA Dégénérescence Maculaire Liée à l’Age DHEA Docosahexaenoic Acid
EDTA Acide éthylènediamine tétra-acétique EPR Epithélium Pigmentaire Rétinien FGF Fibroblast Growth Factor GABA Acideγ-aminobutyrique GDNF Glial cell line Derived Neurotrophic Factor hCAR Human Cone Arrestin NBA Neurobasal-A NMDA N-méthyl-D-aspartate MC Milieu Conditionné PDE Phosphodiesterase PEDF Pigmented Epithelium Derived Factor PNA Peanut Agglutinin PR Photorécepteurs RCS Royal College of Surgeons RdCVF Rod derived Cone Viability Factor RP Rétinite Pigmentaire I. ANATOMIE DE L’OEIL L’œil est l'organe de la vision. Il permet à un être vivant de voir, donc d'analyser la lumière visible pour interagir avec son environnement. L'œil s'adapte en premier lieu à la lumière ambiante et peut ainsi la percevoir en plein soleil ou sous la lumière de la pleine lune, soit avec une intensité 10.000 fois moindre. La lumière visible correspond à certains rayonnements électromagnétiques dont les longueurs d'ondes sont généralement situées entre 390 nm (les ultraviolets) et 700 nm (les infrarouges). Le globe oculaire de l’homme ressemble à une petite balle de 2.5 cm de diamètre, d’une masse d’environ 7 grammes. Il est composé d’une enveloppe externe de protection, la sclérotique, qui lui donne sa couleur blanche et sa rigidité. La cornée, lentille transparente, est le premier élément réfractif de l’œil, avant le cristallin, lentille biconvexe qui permet la mise au point (grâce à l’accommodation) et la formation d'une image nette de l'objet sur la rétine. L’iris fait varier l’ouverture de la pupille afin de modifier la quantité de lumière qui pénètre dans l’œil ; il donne également sa couleur à l’œil en fonction de la quantité plus ou moins importante de mélanine. L’humeur vitrée, constituée d’une gelée (acide hyaluronique), occupe 80% du volume de l’œil et lui donne sa consistance. La rétine est située entre l’humeur vitrée et la choroïde, une couche vasculaire pigmentée qui absorbe les rayons lumineux inutiles à la vision et a pour fonction de nourrir les photorécepteurs de la rétine. L’épithélium pigmentaire rétinien (EPR), situé entre la rétine et la
choroïde, joue un rôle capital pour la rétine et fera donc l’objet d’une description détaillée en III. L’oeil fonctionne comme un appareil photographique : les images des objets projetés sur la rétine sont inversées, et c’est notre cerveau qui « redresse » les images captées par nos yeux. La fonction de l’œil est donc de recevoir et de transformer les vibrations électromagnétiques de la lumière en influx nerveux qui sont transmis par le nerf optique jusque dans l’aire visuelle du cerveau. II. LA RETINE La rétine est à l’origine de la transformation des images de notre environnement en impulsions électriques formant nos images visuelles dans le cerveau. Ce tissu, d’une épaisseur d’environ 200µm (variable selon les espèces), tapisse le fond de l’œil et est localisé entre l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) et l’humeur vitrée. Dérivée du neurectoderme, elle constitue une partie intégrante du système nerveux central (SNC). Elle est composée de 6 types de neurones et 3 types de cellules gliales. Ces neurones (photorécepteurs, cellules bipolaires, horizontales, amacrines et ganglionnaires), libérant les neuromédiateurs du cerveau, glutamate, GABA, glycine, dopamine..., sont organisés pour traiter l’information visuelle, conférant au tissu une structure en 3 couches nucléaires : lacouche nucléaire externecontient les corps cellulaires des ectpuesrphotoré(PR). - lacouche nucléaire interne comporte les corps cellulaires des celluleshorizontales, des cellulesbipolaireset des cellulesamacrines - la troisième couche nucléaire est composée essentiellement decellules ganglionnaires et de quelques amacrines déplacées. Les cellules ganglionnaires se projettent dans le cerveau par l’intermédiaire de plus d’un million de fibres nerveuses qui forment le nerf optique. Les cellules gliales de Müller (CGM) traversent verticalement la rétine (Dowling et Boycott, 1966). Deux couches synaptiques séparent les trois couches nucléaires : la région contenant les synapses reliant les photorécepteurs aux dendrites des cellules bipolaires et horizontales est appelée couche plexiforme externe et celle où s’effectuent les connexions entre les cellules bipolaires, amacrines et ganglionnaires se nomme couche plexiforme interne. Les différents types cellulaires a) les neurones Les photorécepteurs (PR), cônes et bâtonnets font l’objet d’un chapitre spécifique (III). Les cellules horizontales : Ces cellules situées dans la couche nucléaire interne effectuent des synapses directement avec les photorécepteurs dans la couche plexiforme externe. Chez la plupart des mammifères, il existe deux types de cellules horizontales classées selon leur morphologie (présence ou non d’axone) (Boycott et coll., 1987) : celles dont les prolongements dendritiques participent à la synapse des cônes et la
terminaison axonale participe à la synapse des bâtonnets, et celles qui ne sont connectées qu’avec les cônes. Ces cellules possèdent des récepteurs au glutamate, mais également parfois des récepteurs NMDA, et jouent un rôle dans la transmission latérale du signal lumineux. Les cellules bipolaires : Il existe trois types de cellules bipolaires (Boycott et Wässle, 1991) : deux types de cellules dites ON, qui font synapses soit avec les cônes soit avec les bâtonnets, et dont la réponse à un signal lumineux se traduit par une dépolarisation ; un type de cellules dites OFF recevant uniquement l’information des cônes, et qui en réponse à un stimulus lumineux, s’hyperpolarisent. Ces cellules libèrent, tout comme les photorécepteurs, le glutamate comme neuromédiateur. Les cellules bipolaires permettent la transmission verticale du signal entre les photorécepteurs et les cellules ganglionnaires. Les cellules amacrines : Caractérisées par l’absence d’axone, ces cellules peuvent être divisées en 29 types sur la base de leur morphologie (MacNeil et Masland, 1998). Elles forment des synapses avec les cellules bipolaires et les cellules ganglionnaires, et libèrent des neuromédiateurs tels que le GABA, la glycine, l’acétylcholine, la dopamine, la sérotonine. Les cellules ganglionnaires : Elles constituent le dernier maillon de la transmission verticale du signal lumineux. Elles sont caractérisées par une grande diversité morphologique et ont été classées en fonction de leur arbre dendritique (Schober et Gruschka, 1978 ; Berson et coll., 1999). Ces cellules présentent des récepteurs au glutamate, de type AMPA/Kainate et NMDA (Zhang et coll., 1996 ; Grunder et coll., 2000a et 2000b) ainsi que différents récepteurs acétyl choline, GABA, glycine
L’ensemble des axones des cellules ganglionnaires se regroupe au niveau de la papille optique et forment le nerf optique qui transmet l’information au centre visuel du cerveau. b) les cellules gliales Les cellules gliales de Müller Parmi les trois types de cellules gliales, la cellule gliale de Müller (CGM) est majoritaire. Découvertes en 1851 par Müller, elles sont générées à partir des cellules neuroépithéliales, précurseurs également des neurones rétiniens. Elles jouent un rôle lors du développement de la rétine, participant notamment à l’agencement du tissu en influençant l’orientation et la migration des neurones (Rakic, 1981). Traversant la rétine de part en part, leurs pieds internes sont apposés à la membrane limitante interne, leurs pieds externes forment (avec les segments internes des PR) la membrane limitante externe, et leur corps cellulaire est situé dans la couche nucléaire interne. Dans la rétine adulte, les CGM occupent une place prépondérante, participant non seulement au maintien du tissu mais également aux fonctions métaboliques vitales pour les neurones. En effet, elles régulent le
taux de potassium extracellulaire (Miller et Dowling, 1970, Schwartz, 1993), la teneur en glutamate extracellulaire par capture et transformation en glutamine (Brew et Attwell, 1987) mais aussi la teneur en GABA (Malchow et coll., 1989 ; Biedermann et coll., 1994). Ces fonctions sont assurées par la présence de récepteurs et transporteurs de ces neuromédiateurs sur les CGM. Ces cellules possèdent également des canaux ioniques sensibles au potentiel (Barres, 1991) et sont capables dans des co-cultures de moduler le niveau calcique neuronal en régulant la libération du glutamate (Parpura et coll., 1994). Enfin, le rôle neuroprotecteur de certains facteurs de croissance (GDNF
) serait modulé par les cellules gliales de Müller (Delyfer et coll., 2005). Les astrocytes : Ces cellules envahissent la rétine par le nerf optique lors de la période embryonnaire. A l’état adulte, leur présence se limite aux parties les plus internes de la rétine, c'est-à-dire au niveau de la couche des cellules ganglionnaires, où ils sont étroitement associés aux vaisseaux sanguins. Les astrocytes jouent un rôle lors de la mise en place de la barrière sanguine rétinienne en modulant la croissance des cellules endothéliales (Jiang et coll., 1995) et donc en isolant la rétine, tout comme le reste du SNC, de la circulation sanguine. Les microglies : Pendant la période embryonnaire, les microglies se retrouvent en grand nombre dans toutes les couches de la rétine (Chan-Ling, 1991). A l’âge adulte, leur présence se réduit au niveau des couches plexiformes, cependant elles peuvent migrer suite à un épisode inflammatoire et exercer ainsi leur fonction phagocytaire au sein de la rétine. Le traitement de l’information visuelle est en grande partie assumée par les photorécepteurs, neurones hautement spécialisés et à l’origine du processus visuel appelé phototransduction. III. LES PHOTORECEPTEURS Dans la rétine de mammifère, les cellules photoréceptrices constituent les neurones les plus abondants de la rétine. Il existe deux types de photorécepteurs, lescôneset lesbâtonnetsdont le rôle consiste à transformer les stimuli lumineux en signaux électriques. Tous deux amorcent le processus biochimique de phototransduction, qui permet cette transformation de l’information lumineuse. Ils contiennent une protéine particulière, l’ospine (pigment visuel) qui, activée par un photon, initie cette cascade de phototransduction. Les cônes et les bâtonnets ont une morphologie particulière comprenant un segment externe, séparé d’un segment interne par un cil connectif, ainsi qu’une terminaison synaptique assurant la connexion avec les cellules horizontales et/ou bipolaires de la rétine interne. Lesegment externe la partie sensible à la lumière dont l’intérieur est constitué de est structures membranaires orientées perpendiculairement à l’axe des photorécepteurs et qui contiennent le pigment visuel. Les disques, constamment renouvelés, migrent progressivement de la base vers la
partie distale où ils sont phagocytés par l’EPR. Il se forme environ 90 disques par jour, et la progression d’un disque dure de 9 à 13 jours (Young, 1976) de la partie proximale à la partie distale du segment externe. Lesegment interneest le siège d’une intense activité de synthèse qui permet l’élaboration du segment externe ; il est constitué d’une région dite ellipsoïde (riche en mitochondries) et d’une région dite myoïde (riche en appareil de Golgi et en réticulum endoplasmique), du noyau cellulaire et de l’axone venant terminer le photorécepteur avant la synapse. Les noyaux des photorécepteurs sont répartis dans la couche nucléaire externe sur différents niveaux, lui donnant un aspect pluristratifié. a) Caractéristiques propres à chaque type de photorécepteur Les deux types de photorécepteurs se distinguent par différents aspects : anatomique, morphologique, moléculaire, et fonctionnel. Chez l’homme, 120 millions de bâtonnets sont répartis dans la rétine, alors que la population de cônes n’est que de 6 millions. Les corps cellulaires des cônes sont alignés sur une seule couche, située immédiatement sous la membrane limitante externe et leur densité est maximale au centre de la rétine, dans une région appeléefovéa. La grande densité des cônes (200.000/mm²) dans cette région de 4.2 mm² est à l’origine de notre grande acuité visuelle avec une perception fine des détails spatio-temporels. D’un point de vue morphologique, les deux types de photorécepteurs sont sensiblement différents à deux niveaux : Le segment externe : - La partie apicale des segments externes est entourée par les invaginations de l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR). Dans le bâtonnet, les structures membranaires sont des disques ou saccules empilés (1000/bâtonnet), contenus dans le cytoplasme et entourés d’une membrane plasmique mesurant 25 à 28µm de long : les disques contenus dans le segment externe sont donc séparés de la membrane plasmique. ou membrane plasmiquepour les cônes, la structure lamellaire consiste en un repli de la -microvillosités tout le long du segment externe. Celui-ci mesure 10µm, et n’établit pas de contact étroit avec l’EPR. Dans la région de la fovéa, la morphologie des cônes est modifiée, du fait de leur grande densité : ils y sont moins larges, mais plus longs (33µm). Le renouvellement des segments externes, assuré par l’EPR, est détaillé en c). La terminaison synaptique : Appeléesphérule pour3 à 5 µm de diamètre et forme les bâtonnets, elle mesure de deux invaginations en ruban (Kolb, 1974), destinés à accueillir en position centrale une terminaison dendritique de cellules bipolaire et, latéralement, deux terminaisons axonales de cellules horizontales. Lepédicule10 µm), et comporte 3 types de spécialisations synaptiques : (8 à des cônes est plus large
le premier est constitué de « gap junctions » permettant un couplage électrique entre les terminaisons des différents photorécepteurs. Le second type de synapse consiste en invaginations de la terminaison dans lesquelles viennent se loger une terminaison dendritique de cellule bipolaire ON et 2 terminaisons dendritiques de cellules horizontales. Le dernier type de synapse est formé par des contacts plats avec les dendrites de cellules bipolaires OFF. C’est au niveau de ces deux dernières synapses qu’a lieu la libération de glutamate, induite par dépolarisation du photorécepteur à l’obscurité. Les cônes et les bâtonnets diffèrent également d’un point de vue moléculaire : ils possèdent chacun un pigment visuel spécifique, ainsi que certaines protéines intervenant dans la phototransduction, des facteurs de transcription
Le pigment visuel des bâtonnets est larhodopsine composée d’une chaîne; c’est une glycoprotéine d’acides aminés, formant 7 domaines transmembranaires reliés par 3 boucles cytoplasmiques et 3 boucles intradiscales. Il s’agit d’un récepteur de la super famille des récepteurs couplés à une protéine G (RCPG). Elle est composée d’ une partie protéique, l'opsine, liée de façon covalente à un chromophore, l'isomère 11-cis du rétinal (c'est l'aldéhyde de la vitamine A). Elle est située en majorité dans les disques des segments externes (extrémité NH2 terminale dans la lumière du disque), et de façon moindre dans la membrane plasmique. Chaque segment externe contient 140 millions de molécules de rhodopsine. Il existe différents types de cônes : 2 chez la plupart des mammifères, 3 chez les grands primates dont l’homme. Ces différents types de cônes sont définis par leur sensibilité spectrale, elle-même définie par la présence d’une opsine sensible à différentes longueurs d’ondes : longueurs d’ondes courtes (bleu), moyennes (vert) et longues (rouge) (Nathans, 1994). La structure des ospines des cônes est semblable à celle de la rhodopsine des bâtonnets et ne diffère que par la séquence des acides aminés. b) Fonction des photorécepteurs Les bâtonnets voir dans la pénombre très sensibles à la lumière, ils nous permettent de sont (vision scotopique), mais de manière achromatique. De fait, lorsque nous sommes dans un endroit faiblement éclairé, les contours sont mal définis et les objets paraissent grisâtres. Les cônessont impliqués dans la vision dite photopique (diurne) aux luminosités plus élevées. Ils sont responsables de la vision fine, grâce à la fovéa, et de la détection des couleurs : la vision chromatique est permise par la comparaison et l’intégration des signaux perçus par les différents types de cônes (bleus, verts et rouges). c) La phototransduction
La phototransduction correspond à l’ensemble des évènements qui transforment le signal lumineux en signal électrique, c'est-à-dire qui vont de l’absorption du photon jusqu’à l’initiation de la réponse électrique. Cette cascade biochimique a été essentiellement étudiée pour les bâtonnets et fera donc l’objet de la description ci-dessous (le schéma de phototransduction des cônes est similaire à celui des bâtonnets, mais avec des isoformes protéiques spécifiques des cônes).
Photoactivation de la rhodopsine : la rétine fonctionne comme un détecteur de photons, impliquant leur absorption par une molécule photosensible, la rhodopsine. Lorsqu’un photon lumineux est capté par la rhodopsine, il se produit une réaction de photoisomérisation et le chromophore passe de la forme 11-cis-rétinal à la forme tout-trans-rétinal, en moins de 20 picosecondes : cette modification de la forme du chromophore induit un changement de conformation de la protéine impliquant des mouvements complexes des hélices d’acides aminés.
Interaction rhodopsine-transducine appelée: la molécule de rhodopsine activée, alors métarhodopsine II, interagit avec une protéine G, la transducine, qui est accolée à la face externe de la membrane des disques, sous forme inactive (Tαbγ). Dans sa forme inactive, la sous-unitéα la de transducine (Tα) est liée au GDP : l’interaction rhdopsine-transducine provoque l’échange du GDP en GTP. La Tαliée au GTP se dissocie alors des sous-unités bγ, pour donner la transducine activée (GTP-Tα). Interaction transducine-phosphodiestérase : la la transducine activée va se lier à phosphodiestérase (PDE) composé de sous unitésα 2 sous unités, b, etγ. Ceci entraîne la séparation du complexe PDEαbγ2 monophosphate guanosine 2 formes actives capables d’hydrolyser le en cyclique (cGMP) cytoplasmique en GMP. Interaction cGMP-canal :le cGMP induit l’ouverture de canaux cationiques et la diminution de la concentration en cGMP cytoplasmique provoque la fermeture des canaux cGMP-dépendants de la membrane plasmique du segment externe du bâtonnet. Les cations Na+ Ca et2+ peuvent plus ne circuler librement de l’espace extracellulaire vers le cytoplasme. Cette diminution de la perméabilité ionique entraîne une hyperpolarisation membranaire du photorécepteur. Cette hyperpolarisation provoque la fermeture des canaux calciques voltage dépendants de type L qui permettent l’entrée de calcium nécessaire à la libération de glutamate. Le signal est alors transmis verticalement aux neurones de la rétine interne, cellules bipolaires, puis aux ganglionnaires, sous le contrôle d’interactions latérales médiées par les cellules horizontales et amacrines. L’information quitte la rétine par les axones des cellules ganglionnaires qui se projettent sur les centres visuels supérieurs. L’ensemble des évènements de la phototransduction dure environ 100ms et reste principalement localisé dans la membrane du disque. Chaque évènement a son coefficient d’amplification : 1 photon
active 1 molécule de rhodopsine qui peut activer jusqu’à 102molécules de transducine. Ces molécules de transducine, à leur tour activent 102molécules de PDE qui sont responsables de l’hydrolyse de 105 molécules de cGMP. Enfin, l’hydrolyse du cGMP provoque la fermeture de 103canaux Na2+. Ainsi, l’absorption d’1 seul photon peut bloquer l’entrée de 106 Na ions2+ à l’intérieur du bâtonnet (Rodieck, 1998). d) Caractéristiques des photorécepteurs les prédisposant à la mort neuronale. Les photorécepteurs sont soumis à un équilibre biochimique fragile. Au cours de la phototransduction, le taux de GMPc intracellulaire baisse et induit une hyperpolarisation des photorécepteurs, ainsi q’une diminution de la concentration de calcium intracellulaire. Au repos, les canaux GMPc dépendants étant ouverts, il existe une activité continue des pompes Na+/K+-ATPase, afin de maintenir les gradients électrochimiques membranaires (Travis, 1998). Les photorécepteurs requièrent donc un substrat énergétique plus important à l’obscurité. De plus, les membranes des disques des segments externes subissent des dommages irréversibles induits par la lumière qui nécessitent leur renouvellement en permanence et donc la production continue de nouveaux disques et des protéines de la phototransduction. Pour répondre à ces besoins métaboliques, les photorécepteurs sont dotés d’un nombre important de mitochondries et consomment beaucoup d’oxygène (Travis, 1998). Ainsi, le moindre dysfonctionnement d’un des acteurs de l’activité métabolique responsable d’une augmentation de la consommation ou d’une diminution des apports en énergie conduit à terme à la mort cellulaire. e) L’épithélium pigmentaire L’épithélium pigmentaire rétinien (EPR) est constitué d’une monocouche de cellules épithéliales riches en mélanine, au contact des segments externes des photorécepteurs ; il est indispensable au maintien de l’intégrité de ces cellules, à leur survie et à la phototransduction. En effet, les cellules de l’EPR assurent la phagocytose et la dégradation des disques des segments externes des photorécepteurs tout au long de la vie (Bok et coll., 1985). Elles participent à la phototransduction en assurant une partie du recyclage constant du trans-rétinal (un dérivé de la vitamine A) en 11-cis-rétinal, chromophore photosensible (Young, 1976). Cette monocouche assure également un rôle de barrière hémato-rétinienne en contrôlant le contrôle du flux de nutriments du sang vers la rétine. Outre le rôle d’écran que lui confère son caractère pigmenté, cet épithélium assure donc les apports métaboliques fondamentaux nécessaires au bon fonctionnement des cellules visuelles (Stern et coll., 1980). IV. LES PATHOLOGIES DES PHOTORECEPTEURS
