Les vésicules extracellulaires sont des particules membranaires sécrétées par la plupart des types cellulaires. Elles sont impliquées dans plusieurs processus physiologiques comme le développement, la réponse immunitaire, la régénération tissulaire, ou la plasticité neuronale, et jouent un rôle central dans la constance du milieu intérieur. L’action homéostatique des vésicules extracellulaires est associée à une fonction détoxifiante : elles exportent de la cellule des déchets cellulaires comme des métabolites toxiques, des protéines mal repliées, et des protéines, lipides et acides nucléiques en excès, en vue de leur dégradation par les macrophages ou de leur excrétion. La fonction homéostatique des vésicules extracellulaires repose aussi sur leur implication dans la communication entre les cellules et les organes, car elles véhiculent des messages de nature biochimique [1, 2] (→).

(→) Voir m/s n° 12, 2021, page 1092

En effet, lorsque le contenu des vésicules extracellulaires en biomolécules (protéines, microARN, etc.), dont la composition reflète l’identité et l’état physiologique de la cellule productrice, est libéré dans la cellule receveuse, il déclenche une réponse et influe sur le devenir de cette cellule. Les vésicules extracellulaires agissent ainsi sur les cellules selon un mode autocrine et paracrine, voire endocrine, certaines vésicules extracellulaires étant véhiculées par le sang avant d’atteindre leur cible située à distance de leur site de production. En fonction de la composition de leur membrane, certaines vésicules extracellulaires ont aussi la capacité de franchir des barrières biologiques, comme la barrière hématoencéphalique ou la paroi intestinale. L’implication des vésicules extracellulaires dans plusieurs fonctions physiologiques rend nécessaire un contrôle étroit de leur sécrétion, par des mécanismes qui restent à élucider. Rappelons que la formation de certaines vésicules extracellulaires débute par l’invagination de la membrane des endosomes précoces et la formation des vésicules intraluminales dans les corps multivésiculaires [3, 4]. Cette première étape dans la biogenèse des vésicules extracellulaires permet de trier et charger dans la vésicule en formation les biomolécules (cargos) entrant dans leur composition. Les corps multivésiculaires peuvent alors être dirigés vers les autophagosomes et les lysosomes, avec lesquels ils fusionnent, ce qui entraîne une dégradation partielle de leur contenu. Quand les corps multivésiculaires sont adressés à la membrane plasmique, les vésicules intraluminales sont libérées dans l’espace extracellulaire et sont alors qualifiées d’exosomes. Il est communément admis que cette libération survient immédiatement après la fusion des corps multivésiculaires avec la membrane plasmique. Toutefois, l’observation d’une rétention des exosomes à la surface des cellules HeLa en culture, par microscopie électronique à transmission [5], indique que la libération des vésicules extracellulaires nécessite un processus additionnel : leur détachement de la membrane plasmique.

ADAM10 et ADAM17 : deux métalloprotéases de la membrane plasmique impliquées dans le détachement des vésicules extracellulaires

Partant du constat que les exosomes sont retenus à la surface des cellules HeLa par l’intermédiaire d’une glycoprotéine membranaire de ces vésicules, la tétherine [5], et vraisemblablement d’autres protéines d’adhérence, nous avons émis l’hypothèse que la sécrétion des vésicules extracellulaires nécessitait un clivage de ces protéines par des protéases membranaires. Nous avons découvert que deux métalloprotéases transmembranaires de la famille des ADAM (a disintegrin and metalloproteinase), ADAM10 et ADAM17, qui admettent comme substrats de nombreuses protéines d’adhérence [6], sont impliquées dans ce processus. En effet, l’inhibition sélective de ADAM10 ou de ADAM17 par des composés pharmacologiques ou par la méthode « d’interférence ARN » réduit d’environ 50 % le relargage des vésicules extracellulaires, ce qui s’accompagne de leur rétention à la surface des cellules. L’implication de ADAM10 et ADAM17 dans la libération des vésicules extracellulaires concerne des types cellulaires aussi divers que des cellules épithéliales, des neurones, ou des cellules de l’immunité, d’origine murine ou humaine [7].

Protéines d’adhérence des vésicules extracellulaires clivées par ADAM10 et ADAM17

Les protéases ADAM10 et ADAM17 assurent le détachement des vésicules extracellulaires en clivant plusieurs protéines d’adhérence présentes à la membrane de ces vésicules, telles que CADM1 (cell adhesion molecule 1) et la E-cadhérine [7], des protéines qui participent à l’adhérence cellulaire selon des interactions homophiliques (CADM1, E-cadhérine) et hétérophiliques (CADM1). Dans les vésicules extracellulaires sécrétées par les cellules, on retrouve seulement les formes tronquées de CADM1 et de la E-cadhérine. La diminution du nombre de vésicules extracellulaires dans le surnageant de culture des cellules en réponse à l’inhibition de l’une ou l’autre des protéases ADAM reflète donc probablement un ralentissement du processus de clivage des protéines d’adhérence qui retiennent ces vésicules attachées à la membrane plasmique. La tétherine, quant à elle, n’est pas retrouvée sous une forme clivée dans les vésicules extracellulaires relarguées par les cellules. Cette glycoprotéine de la membrane des vésicules est avant tout connue pour inhiber la libération de particules virales enveloppées par les cellules infectées, en jouant le rôle d’un facteur de restriction qui retient les virions attachés à la surface cellulaire par des interactions homophiliques tétherine/tétherine : ce sont les modifications topologiques de la tétherine par certaines protéines virales qui permettent le détachement des virions de la surface cellulaire. Dans le cas de la vésicule extracellulaire, il est envisageable que le clivage des protéines d’adhérence CADM1 et E-cadhérine par ADAM10 et ADAM17 affaiblisse les forces d’interaction entre cette vésicule et les points d’attache sur la membrane plasmique, ce qui pourrait induire un changement topologique de la tétherine entraînant la libération de la vésicule. Le répertoire des protéines d’adhérence de la vésicule extracellulaire qui doivent être clivées pour permettre sa libération ne se limite probablement pas à CADM1 et la E-cadhérine : ADAM10 et ADAM17 coupent d’autres protéines d’adhérence telles que ICAM-1, L1-CAM, CD44, ou encore la nectine-4, et les formes clivées de L1-CAM et CD44 ont été retrouvées dans les vésicules extracellulaires [8]. D’un type cellulaire à l’autre, l’intensité du relargage basal des vésicules extracellulaires pourrait dépendre de la nature et de la proportion des protéines d’adhérence présentes à la membrane de ces vésicules.

Un processus finement contrôlé

Le détachement des vésicules extracellulaires par les protéases ADAM10 et ADAM17 est un processus régulé, conditionné par la biodisponibilité et un contrôle post-traductionnel de l’activité protéolytique de ces deux protéases à la surface des cellules. Deux voies de signalisation majeures, l’une impliquant la kinase PDK1 (3-phosphoinositide-dependent kinase-1) et l’autre, les kinases ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1/2), exercent des effets opposés sur le relargage des vésicules extracellulaires par une modulation de l’activité enzymatique des ADAM10 et 17 à la membrane plasmique [7]. La kinase PDK1 diminue l’activité protéolytique de ADAM17 en stimulant l’internalisation de cette protéase, ce qui freine la libération des vésicules extracellulaires, tandis que les kinases ERK1/2 stimulent l’activité protéolytique de ADAM10 et ADAM17 par la phosphorylation de leur domaine carboxy-terminal et par la séparation physique de leur partenaire de liaison inhibiteur iRhom2 (inactive rhomboid protein 2). Enfin, nous avons identifié la kinase RSK2 (90-kDa ribosomal S6 kinase-2) comme étant un « centre intégrateur » des voies de signalisation antagonistes impliquant ERK1/2 et PDK1 [7]. Cet équilibre de signalisation détermine le niveau basal de libération des vésicules extracellulaires. Par conséquent, au-delà de la composition de la membrane des vésicules extracellulaires en protéines d’adhérence, les différences d’intensité de la libération physiologique de ces vésicules entre différents types cellulaires pourraient aussi refléter des différences d’expression ou de localisation subcellulaire de protéines impliquées dans leur détachement de la membrane plasmique, telles que PDK1, ERK1/2, RSK2 et ADAM10/17.

Perspectives

En résumé, les résultats de nos travaux de recherche établissent que le relargage des vésicules extracellulaires par la cellule nécessite l’intervention de deux métalloprotéases, ADAM10 et ADAM17 qui, à la surface cellulaire, catalysent le clivage de plusieurs protéines d’adhérence présentes à la membrane de ces vésicules, ce qui permet leur détachement de la membrane plasmique. L’intensité de la libération physiologique des vésicules extracellulaires est conditionnée par le degré d’activation de deux voies de signalisation, l’une impliquant l’effecteur ERK1/2 et l’autre l’effecteur PDK1, qui, via le contrôle de l’activité de la kinase RSK2, exercent des effets opposés sur les activités enzymatiques des protéases ADAM10/17 à la membrane plasmique (Figure 1). La modulation de l’équilibre entre les activités des kinases ERK1/2 et PDK1 par divers récepteurs membranaires, comme les récepteurs de l’insuline, de facteurs de croissance, de chimiokines, ou encore par les intégrines [9, 10], pourrait augmenter ou diminuer la quantité de vésicules extracellulaires relarguées dans le microenvironnement cellulaire et, in fine, influer sur la réponse des cellules et des organes receveurs des vésicules extracellulaires circulantes, ce qui s’inscrit vraisemblablement dans des boucles de maintien ou d’ajustement physiologique des constantes du milieu intérieur. En revanche, une perturbation pathologique de l’expression, de la localisation, ou de l’activation de ERK1/2, PDK1, RSK2, ou ADAM10/17, pourrait modifier la quantité de vésicules extracellulaires libérées par les cellules et avoir par conséquent un effet délétère. À titre d’exemple, la surexpression de RSK2, ou celle de ADAM17, constatée dans certains cancers [11, 12] pourrait potentialiser la libération des vésicules extracellulaires porteuses de messagers oncogéniques et, indirectement, stimuler la prolifération et la migration des cellules cancéreuses ou enclencher le processus métastatique [13]. L’identification des métalloprotéases ADAM10 et ADAM17, ainsi que celle des effecteurs de signalisation ERK1/2, PDK1 et RSK2 qui contrôlent ces ADAM et le détachement des vésicules extracellulaires, ouvrent de nouvelles perspectives de stratégies thérapeutiques innovantes afin de moduler la libération des vésicules extracellulaires selon le contexte pathologique.

Figure 1. Le relargage des vésicules extracellulaires : un évènement contrôlé par les protéases membranaires ADAM10 et ADAM17. Après une étape de biogenèse (1), de transport (2) et de fusion des corps multivésiculaires avec la membrane plasmique (3), deux protéases de la famille des ADAM (a disintegrin and metalloproteinase), ADAM10 et ADAM17, assurent le détachement des vésicules extracellulaires de la surface cellulaire en catalysant le clivage de protéines d’adhérence, dont CADM1 (cell adhesion molecule 1) et la E-cadhérine, présentes à la membrane des vésicules (4). En conditions physiologiques, le relargage des vésicules extracellulaires dépendant de ADAM10/17 est finement contrôlé par deux voies de signalisation, ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1/2) pour l’activation et PDK1 (3-phosphoinositide-dependent kinase-1) pour l’inhibition, qui convergent vers la kinase RSK2 (90-kDa ribosomal S6 kinase-2). Selon le sous-domaine catalytique de RSK2 activé - domaine kinase C-terminal (CTKD), sensible à ERK1/2, ou domaine kinase N-terminal (NTKD), sensible à PDK1 -, RSK2 influe positivement ou négativement sur la libération des vésicules extracellulaires en jouant sur le degré de phosphorylation et l’adressage de ADAM10/17 à la membrane plasmique des cellules.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Références

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Liste des figures

Figure 1. Le relargage des vésicules extracellulaires : un évènement contrôlé par les protéases membranaires ADAM10 et ADAM17. Après une étape de biogenèse (1), de transport (2) et de fusion des corps multivésiculaires avec la membrane plasmique (3), deux protéases de la famille des ADAM (a disintegrin and metalloproteinase), ADAM10 et ADAM17, assurent le détachement des vésicules extracellulaires de la surface cellulaire en catalysant le clivage de protéines d’adhérence, dont CADM1 (cell adhesion molecule 1) et la E-cadhérine, présentes à la membrane des vésicules (4). En conditions physiologiques, le relargage des vésicules extracellulaires dépendant de ADAM10/17 est finement contrôlé par deux voies de signalisation, ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases 1/2) pour l’activation et PDK1 (3-phosphoinositide-dependent kinase-1) pour l’inhibition, qui convergent vers la kinase RSK2 (90-kDa ribosomal S6 kinase-2). Selon le sous-domaine catalytique de RSK2 activé - domaine kinase C-terminal (CTKD), sensible à ERK1/2, ou domaine kinase N-terminal (NTKD), sensible à PDK1 -, RSK2 influe positivement ou négativement sur la libération des vésicules extracellulaires en jouant sur le degré de phosphorylation et l’adressage de ADAM10/17 à la membrane plasmique des cellules.

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