Les cils sont des organites présents dans la plupart des cellules. Ce sont des protrusions membranaires qui se développent sur un squelette de microtubules (l’axonème) ancré sur un centriole basal [ 45] (→).

(→) Voir la Synthèse de C. Fort et P. Bastin, page 955 de ce numéro

Les cils fonctionnent comme des antennes, intégrant des signaux mécaniques et moléculaires [ 1]. On distingue les cils motiles, capables de générer des flux de liquide (Figure 1A), et les cils primaires non motiles, qui ont une fonction sensorielle et participent à la transduction de signaux (Figure 1B–C). Si la structure des cils est connue depuis plus d’un siècle, c’est en 2000 que G.J. Pazour et al. ont démontré pour la première fois le rôle fondamental des cils primaires dans le développement embryonnaire [ 2]. Les maladies humaines résultant d’un dysfonctionnement des cils - les ciliopathies - conduisent à des syndromes pléiotropes, ce qui indique que les cils sont nécessaires au développement d’un grand nombre d’organes. Cependant, un dysfonctionnement des cils peut conduire à des phénotypes opposés, tels qu’une hypoplasie (déficit de cellules) ou une mégalie (excès de croissance). Cela souligne l’intérêt de comprendre la fonction des cils dans un contexte particulier, en termes de type cellulaire et de stade du développement. Dans cette synthèse, nous nous intéresserons au rôle des cils dans la formation du cœur, et aux voies de signalisation dont la transduction est potentiellement assurée dans les cils cardiaques. Nous discuterons les données issues des lignées de souris génétiquement modifiées, qui apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes potentiellement impliqués dans les cardiopathies associées aux ciliopathies.

Figure 1. Structure des cils et transduction de signaux. A. Dans le nœud, les cellules du centre (en noir) possèdent des cils motiles qui génèrent un flux vers la gauche de l’embryon. Dans les cellules périphériques (en rouge), des cils primaires perçoivent ce signal. B. Les cils primaires de ces cellules sont riches en polycystines, Pkd1l1 et Pkd2. Les cils primaires sont des protrusions de membrane plasmique (en gris) construites sur un squelette de microtubules (rayures noires) ancré sur un centriole basal (rayures épaisses). Les cils sont isolés du cytosol par un filtre (ligne pointillée). C. Dans d’autres types cellulaires, potentiellement les cellules précurseurs des cloisons du cœur, les cils primaires sont requis pour la transduction de la voie Hedghog (Hh). En l’absence de signal (à gauche), le récepteur inhibiteur Patched-1 (Ptc1) est localisé dans le cil, alors que le co-récepteur Smoothened (Smo) est internalisé dans la cellule. Les facteurs de transcription Gli sont sous leur forme répressive (GliR). En présence de signal (à droite), le récepteur inhibiteur Ptc1 est internalisé et le co-récepteur Smoothened (Smo) peut s’accumuler dans le cil. Ceci permet l’activation des facteurs de transcription Gli (GliA).

Figure 1. Structure des cils et transduction de signaux. A. Dans le nœud, les cellules du centre (en noir) possèdent des cils motiles qui génèrent un flux vers la gauche de l’embryon. Dans les cellules périphériques (en rouge), des cils primaires perçoivent ce signal. B. Les cils primaires de ces cellules sont riches en polycystines, Pkd1l1 et Pkd2. Les cils primaires sont des protrusions de membrane plasmique (en gris) construites sur un squelette de microtubules (rayures noires) ancré sur un centriole basal (rayures épaisses). Les cils sont isolés du cytosol par un filtre (ligne pointillée). C. Dans d’autres types cellulaires, potentiellement les cellules précurseurs des cloisons du cœur, les cils primaires sont requis pour la transduction de la voie Hedghog (Hh). En l’absence de signal (à gauche), le récepteur inhibiteur Patched-1 (Ptc1) est localisé dans le cil, alors que le co-récepteur Smoothened (Smo) est internalisé dans la cellule. Les facteurs de transcription Gli sont sous leur forme répressive (GliR). En présence de signal (à droite), le récepteur inhibiteur Ptc1 est internalisé et le co-récepteur Smoothened (Smo) peut s’accumuler dans le cil. Ceci permet l’activation des facteurs de transcription Gli (GliA).

Les ciliopathies sont des maladies rares pour lesquelles plusieurs variations génétiques ont déja été identifiées [ 3] ; elles sont classées en différents syndromes, selon leurs manifestations cliniques [ 46] (→).

(→) Voir la Synthèse de R. Bachmann-Gagescu, page 1011 de ce numéro

Ces maladies graves peuvent être associées à des malformations cardiaques (Tableau I), avec des conséquences importantes sur la qualité et la durée de vie des patients. Près de 10 % des patients atteints du syndrome de Bardet-Biedl [ 47] (→) présentent des malformations du cœur, telles que des sténoses valvulaires, une bicuspidie de la valve aortique ou des défauts de cloisonnement des oreillettes. Les patients atteints des syndromes de Meckel (OMIM 249000) ou de McKusick-Kaufman (OMIM236700), causés par des mutations dans des protéines requises pour la ciliogenèse, présentent parfois des malformations cardiaques. Le syndrome d’Alström (OMIM203800), que caractérisent plus de 80 mutations différentes dans le seul gène ALMS1 (Alström syndrome 1) de fonction inconnue, est associé à une cardiomyopathie dilatée chez les deux tiers des patients. Récemment, il a été suggéré que des mutations d’Alms1 étaient responsables de cardiomyopathies avec une forte activité mitogénique [ 4]. Le syndrome Ellis-van Creveld (EVC), dû à des mutations du gène EVC ou EVC2, est associé à des défauts de cloisonnement du cœur dans 60 % des cas, se traduisant par une oreillette commune ou un canal atrio-ventriculaire. La polykystose rénale autosomique dominante (PKD) résulte de mutations dans les polycystines PKD1 (polycystic kidney disease 1) et PKD2, des protéines souvent localisées dans le cil primaire. PKD est ainsi considérée comme une ciliopathie dans laquelle les cils sont présents, mais moins fonctionnels [ 5, 48] (→→).

(→) Voir la Synthèse de K. Chennen et al., page 1034 de ce numéro

(→→) Voir la Synthèse de M. Faces-Passy, page 1024 de ce numéro

Les patients souffrant de PKD ont une probabilité accrue de développer des anomalies des valves cardiaques et une hypertrophie du ventricule gauche.

D’autres types de ciliopathies, affectant d’autres cils que les cils primaires, peuvent s’exprimer par des malformations cardiaques. Il s’agit des dyskinésies ciliaires qui affectent les cils motiles requis pour la détermination de la droite et de la gauche de l’organisme [ 6]. Le syndrome de Kartagener correspond à un situs inversus dans lequel la position du cœur est inversée, à droite de la cavité thoracique. Dans les autres cas, la détermination de la droite et de la gauche est incomplètement inversée, ce qui cause un spectre de malformations cardiaques regroupées sous le terme d’hétérotaxie [ 7], incluant une transposition des gros vaisseaux, un ventricule droit à double issue (Figure 2), un isomérisme des oreillettes et un canal atrio-ventriculaire. La survenue de malformations cardiaques associées à un dysfonctionnement des cils amène à se demander dans quel type cellulaire les cils sont requis pour la formation du cœur et quels sont les mécanismes impliqués.

Figure 2. Exemples de malformations cardiaques associées à des ciliopathies. A. Dans un cœur normal, une double circulation sanguine est établie, qui sépare le sang carboné (bleu) du sang oxygéné (rouge). AP : artère pulmonaire ; Ao : aorte ; OD : oreillette droite ; OG : oreillette gauche ; VD : ventricule droit ; VG : ventricule gauche. B. Dans le cas d’un défaut de cloisonnement ventriculaire, un mélange des sangs se produit (violet), avec des conséquences sur la pression sanguine dans le cœur. C. Dans un ventricule droit à double issue, les deux artères (aorte et artère pulmonaire) débouchent du ventricule droit, ce qui entrave l’oxygénation du sang distribué aux organes. D. La transposition des gros vaisseaux correspond à une inversion des artères, ce qui empêche le sang oxygéné d’arriver aux organes. Ces malformations doivent être réparées à la naissance.

Figure 2. Exemples de malformations cardiaques associées à des ciliopathies. A. Dans un cœur normal, une double circulation sanguine est établie, qui sépare le sang carboné (bleu) du sang oxygéné (rouge). AP : artère pulmonaire ; Ao : aorte ; OD : oreillette droite ; OG : oreillette gauche ; VD : ventricule droit ; VG : ventricule gauche. B. Dans le cas d’un défaut de cloisonnement ventriculaire, un mélange des sangs se produit (violet), avec des conséquences sur la pression sanguine dans le cœur. C. Dans un ventricule droit à double issue, les deux artères (aorte et artère pulmonaire) débouchent du ventricule droit, ce qui entrave l’oxygénation du sang distribué aux organes. D. La transposition des gros vaisseaux correspond à une inversion des artères, ce qui empêche le sang oxygéné d’arriver aux organes. Ces malformations doivent être réparées à la naissance.

Le cil primaire est un organite présent dans de nombreux types cellulaires, en dehors de la phase de mitose puisqu’il réquisitionne le centriole pour son ancrage. Dans les cellules des différents tissus cardiaques, des observations par microscopie électronique ont établi la présence de cils primaires, c’est-à-dire non motiles car dépourvus d’un doublet central de microtubules ( Figure 3 , E16,5) [45] (→).

(→) voir la synthèse de C. Fort et P. Bastin, page 955 de ce numéro

Figure 3. Rôle des cils à différentes étapes de la formation du cœur. E6,5 (6,5 jours après la fécondation) : au moment de la gastrulation, les cils du nœud sont importants pour la détermination de la droite et de la gauche de l’embryon. Les flèches noires indiquent la migration des précurseurs cardiaques de part et d’autre de la ligne primitive (grise) où a lieu la gastrulation. E8,5 : la courbure du cœur est sensible à la latéralité droite/gauche. Par ailleurs, la sécrétion de Sonic hedghog (Shh) dans l’endoderme active (flèches vertes) une voie de signalisation dans les précurseurs du second champ cardiaque pour le cloisonnement des oreillettes et des gros vaisseaux artériels. Les flèches noires indiquent le recrutement des précurseurs cardiaques dans le cœur. E13,5 : schéma d’une coupe de ventricule représentant les différents tissus cardiaques. Shh est ici sécrété par l’épicarde (flèches bleues), et est nécessaire dans les cellules périvasculaires (en noir) et du myocarde (orange) pour stimuler la formation du réseau coronaire via la sécrétion de facteurs de croissance vasculaire endothélial (VEGF) et d’angiopoïétine (Angpt2). E16,5 : schéma du cœur mature montrant l’organisation des différents tissus cardiaques, ainsi que l’alignement des chambres cardiaques et des gros vaisseaux. AP : artère pulmonaire ; Ao : aorte ; OD : oreillette droite ; OG : oreillette gauche ; SIV : septum interventriculaire ; VCI : veine cave inférieure ; VCS : veine cave supérieure ; VD : ventricule droit ; VG : ventricule gauche ; VP : veine pulmonaire.

Figure 3. Rôle des cils à différentes étapes de la formation du cœur. E6,5 (6,5 jours après la fécondation) : au moment de la gastrulation, les cils du nœud sont importants pour la détermination de la droite et de la gauche de l’embryon. Les flèches noires indiquent la migration des précurseurs cardiaques de part et d’autre de la ligne primitive (grise) où a lieu la gastrulation. E8,5 : la courbure du cœur est sensible à la latéralité droite/gauche. Par ailleurs, la sécrétion de Sonic hedghog (Shh) dans l’endoderme active (flèches vertes) une voie de signalisation dans les précurseurs du second champ cardiaque pour le cloisonnement des oreillettes et des gros vaisseaux artériels. Les flèches noires indiquent le recrutement des précurseurs cardiaques dans le cœur. E13,5 : schéma d’une coupe de ventricule représentant les différents tissus cardiaques. Shh est ici sécrété par l’épicarde (flèches bleues), et est nécessaire dans les cellules périvasculaires (en noir) et du myocarde (orange) pour stimuler la formation du réseau coronaire via la sécrétion de facteurs de croissance vasculaire endothélial (VEGF) et d’angiopoïétine (Angpt2). E16,5 : schéma du cœur mature montrant l’organisation des différents tissus cardiaques, ainsi que l’alignement des chambres cardiaques et des gros vaisseaux. AP : artère pulmonaire ; Ao : aorte ; OD : oreillette droite ; OG : oreillette gauche ; SIV : septum interventriculaire ; VCI : veine cave inférieure ; VCS : veine cave supérieure ; VD : ventricule droit ; VG : ventricule gauche ; VP : veine pulmonaire.

Chez l’embryon, une plus forte proportion de cellules ciliées a été décrite parmi les cellules musculaires (cardiomyocytes) peu matures, dont les cils sont souvent invaginés dans une poche ciliaire [ 8, 9]. En accord avec cette observation, les cils sont détectés dans le cœur embryonnaire entre 9,5 jours (E9,5) et 12,5 jours (E12,5) de développement chez la souris [ 10, 11], alors que, chez l’adulte, ils sont détectés dans les cellules interstitielles non musculaires [9]. À quel stade les cils sont-ils perdus dans les cardiomyocytes ? Cette perte est-elle irréversible ? Ces questions restent encore ouvertes. Chez l’embryon, les cardiomyocytes des oreillettes et de la base des ventricules sont plus fréquemment ciliés [10]. Dans l’épicarde embryonnaire, la tubuline acétylée, associée aux microtubules stabilisés et présente notamment dans les cils, est enrichie du côté de la cavité péricardique [11]. Dans l’endocarde embryonnaire, les cils font saillie dans la cavité, en contact direct avec le flux sanguin, et sont localisés préférentiellement dans les zones soumises à un moindre stress mécanique, comme les oreillettes, la base des trabéculations du ventricule ou la base des bourgeons des valves atrio-ventriculaires. Cette régionalisation suggère que le cil primaire peut jouer un rôle de capteur de forces hémodynamiques [ 12]. Des cils ont également été observés dans le mésenchyme des bourgeons de valves ; ils n’ont pas d’orientation apparente [11], et contiennent des antigènes spécifiques tels que la petite GTPase ARL13B (ADP-ribosylation factor-like 13B) [10]. Dans les muscles lisses des vaisseaux du cœur, la présence de cils primaires n’a pas encore été rapportée, alors qu’ils jouent un rôle dans d’autres vaisseaux [ 13]. Ainsi, par sa large distribution dans le cœur embryonnaire, le cil primaire se positionne comme un acteur important dans différents processus de la morphogenèse cardiaque.

Les cils motiles et primaires sont essentiels dans le nœud, une structure embryonnaire qui est le siège de la mise en place de la latéralité droite/gauche de l’organisme (Figure 1A–B) [6, 14]. Cette latéralité a plusieurs conséquences sur la morphogenèse du cœur. Le cœur se forme à partir de précurseurs localisés de part et d’autre de la ligne médiane, recevant ainsi des signaux droits ou gauches ( Figure 3 , E6,5). Ainsi, les oreillettes droite et gauche diffèrent par leur morphologie, mais aussi par le drainage veineux et la nature des valves conduisant au ventricule adjacent. La signalisation droite/gauche est aussi requise pour des mouvements de courbure du cœur embryonnaire ( Figure 3 , E8,5), qui conduisent au positionnement relatif des ventricules et des troncs artériels, ainsi qu’au positionnement du cœur à gauche de la cage thoracique. Ainsi, la structure du cœur est particulièrement sensible aux perturbations dans la détermination de la droite et de la gauche de l’embryon, ce qui a des conséquences sur la mise en place de la double circulation sanguine (pulmonaire et systémique).

Dans plusieurs modèles animaux, l’absence ou le dysfonctionnement des cils affectent la morphogenèse du cœur. L’absence de cils, résultant d’un défaut du centriole basal chez les mutants Ofd1^-/- (oral-facial-digital syndrome 1) [ 15] ou de transport ciliaire dans les mutants Ift88 ^-/- (intraflagellar transport 88 homolog), Ift172 ^-/- et Kif3a ^-/- (kinesin family member 3A) [ 16, 17, 45] (→) induit une détermination bilatérale de la gauche de l’embryon, la courbure du cœur se faisant alors au hasard vers la droite ou la gauche de l’embryon. Parfois, la ciliogenèse est partielle, avec des cils plus courts ou moins nombreux. On observe, par exemple, des défauts de cloisonnement de la voie efférente et des ventricules chez le mutant Fuz (fuzzy planar cell polarity protein), qui comporte une mutation dans un effecteur de la polarité planaire¹ impliqué dans le trafic membranaire [ 18], alors que chez le mutant Mks1 (Meckel syndrome, type 1), que caractérise une altération d’un régulateur du centriole basal, la courbure du cœur se fait au hasard, et, plus tard, une transposition des gros vaisseaux apparaît [ 19]. L’invalidation du gène Pifo (Pitchfork) induit des cils anormaux, dupliqués, et aboutit à un ventricule droit à double issue, malformation dans laquelle l’aorte et l’artère pulmonaire sortent toutes deux du ventricule droit [ 20]. L’invalidation de la dynéine axonémale Dnaic1 (dynein, axonemal, intermediate chain 1), qui n’affecte pas la ciliogenèse mais la motilité des cils, conduit à des défauts de la courbure du cœur, se traduisant par un mauvais positionnement du cœur si la courbure est inversée, ou à une hétérotaxie si la courbure est incomplète [ 21]. Quand la kinase ciliaire Nek8 (NIMA-related kinase 8) est mutée, les cils se forment normalement. Cependant, l’orientation de la courbure du cœur se fait au hasard chez ces mutants, qui présentent aussi des défauts de cloisonnement des chambres cardiaques et un ventricule droit à double issue [ 22].

(→) Voir la Synthèse de C. Fort et P. Bastin, page 955 de ce numéro

Dans ces modèles animaux, l’inactivation génétique est zygotique, c’est-à-dire ubiquitaire, ce qui ne permet pas de comprendre dans quels types cellulaires les cils sont requis. Il est très probable que les phénotypes de courbure du cœur ou d’hétérotaxie résultent d’un dysfonctionnement ciliaire indirect, par l’intermédiaire de la signalisation droite/gauche, dans les cellules du nœud qui ne participent pas au cœur. Outre ce rôle, le cil est nécessaire à la transduction de voies de signalisation dans des cellules qui colonisent le cœur.

La voie de signalisation Hedgehog (hh), qui régule la croissance et la détermination des tissus, dépend du cil primaire [17, 23]. En présence d’un ligand (Shh, Sonic hedgehog, Ihh, Indian hedgehog ou Dhh, Desert hedgehog), le co-récepteur Smoothened est concentré au niveau du cil, où il peut déclencher l’activation des facteurs de transcription Gli (Figure 1C). Shh et Ihh jouent un rôle précoce dans la détermination de la droite et de la gauche de l’embryon [ 24], alors que Smoothened et Ihh sont essentiels à la mise en place de la circulation sanguine par la vascularisation du sac vitellin [ 25]. Ces deux processus ont des répercussions indirectes sur la formation du cœur. De manière directe, Shh est requis pour le cloisonnement du cœur et la formation des coronaires, les vaisseaux qui irriguent le muscle cardiaque.

Les polycystines sont des protéines membranaires souvent localisées dans le cil primaire (Figure 1B). Chez l’homme, des mutations des polycystines sont responsables de la polykystose rénale autosomique dominante (PKD). PKD2 agit comme un canal calcium, tandis que PKD1 agit comme un mécanorécepteur des interactions cellule-cellule ou cellule-matrice extracellulaire [ 37]. Chez la souris, la mutation des gènes Pkd1 et Pkd2 conduit à des malformations des valves cardiaques [ 38], ainsi qu’à des défauts de cloisonnement des chambres cardiaques [38, 39]. Dans le cas d’une perte de fonction, un myocarde plus fin a été observé [11, 38], alors que la surexpression de Pkd1 (entraînant un niveau 2 à 15 fois supérieur au niveau normal) conduit à un effet inverse d’hypertrophie du myocarde [ 40], ce qui rappelle la maladie humaine. Lorsque la mutation de Pkd1 est restreinte aux cellules endothéliales [ 41] ou aux muscles lisses et cardiaque [ 42], elle ne cause pas de défaut cardiaque, à la différence de la mutation ubiquitaire. L’interprétation de cette différence n’est pas claire : elle pourrait être due à une variation dans la séquence de la mutation ou à l’intervention de Pkd1 dans un autre type cellulaire que les cellules endothéliales des muscles lisses et cardiaque, comme par exemple les cellules interstitielles du cœur. Ainsi, le mécanisme d’action de Pkd1 et Pkd2 dans le cœur reste à déterminer. L’effet est-il direct dans des cellules cardiaques ? Quel compartiment cellulaire est contrôlé et par quelle cascade de signalisation ? De même, le lien entre Pkd et cil cardiaque n’a pas été démontré.

D’autres voies de signalisation ont été reliées au cil primaire, comme par exemple la voie Wnt canonique, la voie Wnt de la polarité planaire, ainsi que les voies PDGFRα (plateled-derived growth factor receptor α) [1] et TGFβ (transforming growth factor β) [ 43], qui sont importantes pour certaines étapes de la formation du cœur. Cependant, les mutants de composants ciliaires conduisent à des phénotypes moins sévères que les mutants des voies Wnt et TGFβ, ce qui indique que le cil primaire n’est pas toujours requis pour ces voies. Le rôle de ces voies dans les cils des cellules cardiaques in vivo reste donc à démontrer.

Par leur large distribution dans de nombreux types cellulaires, les cils primaires jouent un rôle important dans la formation des organes, y compris le cœur. Le dysfonctionnement des cils primaires ou des voies de signalisation dont la transduction se produit habituellement dans le cil primaire conduit à un large spectre de malformations cardiaques. Le cil est un organite spécialisé dont la structure et les capacités sensorielles varient d’un type cellulaire à un autre [ 44, 45]. Il est possible que les différents types de malformations cardiaques résultent d’une fonction ciliaire spécifique. Cependant, les modèles actuels résultent d’inactivations ubiquitaires de gènes ciliaires. Le rôle des cils doit maintenant être disséqué plus finement par un contrôle spatio-temporel des mutations ciliaires, pour découpler les différents phénotypes et identifier le rôle des cils d’un type cellulaire spécifique à un stade donné de développement. En outre, ces mutations contrôlées pourraient permettre de révéler d’autres fonctions des cils primaires, qui sont des structures dynamiques au cours du cycle cellulaire, comme par exemple dans le contrôle de la prolifération cellulaire [ 49] (→), de la différenciation cellulaire, ou de l’orientation de la division cellulaire [ 50] (→).

(→) Voir la Synthèse de N. Delgehyr et N. Spassky, page 976 de ce numéro

(→) Voir la Synthèse de N. Taulet et B. Delaval, page 1040 de ce numéro

Outre leur intérêt pour déchiffrer les mécanismes fondamentaux de la morphogenèse du cœur, ces études seront indispensables pour mieux comprendre l’étiologie des cardiopathies associées aux ciliopathies.

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

Les travaux de l’équipe de S. Meilhac sont financés par la Fondation pour la recherche médicale, l’Agence nationale pour la recherche et l’Institut national de la santé et de la recherche médicale.