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Distribution subcellulaire des récepteurs du glutamate de type kaïnate

Auteur : Dr. Frédéric JASKOLSKI
Adresse actuelle : MRC Centre for Synaptic Plasticity - Department of Anatomy - University of Bristol - UK.


Introduction

I - La synapse

II - Les récepteurs du glutamate de type kaïnate :

1 - Acide kaïnique, découverte

2 - Physiopathologie des récepteurs kaïnate


3 - Clonage et structure des sous-unités des récepteurs kaïnate :

3a - Clonage :

Cinq gènes codent pour les sous-unités des récepteurs kaïnate GluR5 (GRIK1, EAA3, h.sapiens: 21q22.11, r.norvegicus: 11q11, m.musculus: 16 58.0 cM), GluR6 (GRIK2, EAA4, h.sapiens: 6q16.3-q21, r.norvegicus: 20q13, m.musculus: 10 27.0 cM), GluR7 (GRIK3, EAA5, h.sapiens: 1p34-p33, r.norvegicus: 5q36, m.musculus: 4 57.2 cM), KA1 (GRIK4, EAA1, h.sapiens: 11q22.3, r.norvegicus: 8q22, m.musculus: 9 23.0 cM) et KA2 (GRIK5, EAA2, h.sapiens: 19q13.2, r.norvegicus: 1q21, m.musculus: 7 6.5 cM). Depuis 1990, les ARNm codant pour les sous-unités des récepteurs kaïnate ont été clonés chez les rongeurs (mus musculus et rattus norvegicus) et chez l'homme (Bettler et al., 1990; Egebjerg et al., 1991; Werner et al., 1991; Herb et al., 1992; Kamboj et al., 1992; Sakimura et al., 1992; Sommer et al., 1992; Gregor et al., 1993; Hoo et al., 1994; Kamboj et al., 1994; Nutt et al., 1994; Schiffer et al., 1997; Barbon and Barlati, 2000; Barbon et al., 2001; Jamain et al., 2002a).

Les ARNm codant pour les sous-unités des récepteurs kaïnate subissent des modifications post-traductionnelles d'édition et/ou d'épissage alternatif (Bettler and Mulle, 1995a; Dingledine et al., 1999; Lerma et al., 2001) (Fig 12 A/B). Excepté l'épissage alternatif d'un exon codant pour 15 acides amines dans le domaine N-terminal de GluR5, tous les variants d'épissage des sous-unités des récepteurs kaïnate diffèrent dans leur domaine C-terminal. Il existe trois principaux variants d'épissage du domaine C-terminal de la sous-unité GluR5, GluR5a, GluR5b et GluR5c. Un quatrième variant du domaine C-terminal de GluR5 n'a été décrit que chez l'homme, GluR5d (Fig 12B) (Gregor et al., 1993). Deux principales isoformes du domaine C-terminal de la sous-unité GluR6 ont été décrites GluR6a et GluR6b. GluR6c, un variant d'épissage alternatif de GluR6 composé par l'insertion de l'exon 15ter a été décrit chez l'homme dans l'hippocampe et l'amygdale (Jamain et al., 2002b). Pour GluR7, deux variants d'épissage ont été clonés, GluR7a et GluR7b. L'existence de différents sites d'édition dans les sous-unités GluR5 et GluR6 constitue une complexité supplémentaire dans la diversité des isoformes des sous-unités des récepteurs kaïnate (Fig 12 A). Le site d'édition Q/R (glutamine/arginine) dans le deuxième segment transmembranaire détermine la conductance calcique du récepteur et la vulnérabilité aux crises d'épilepsie induites par l'acide kaïnique (Vissel et al., 2001).

A ce jour, la littérature et les séquences déposées dans les bases de données pour les différentes isoformes des sous-unités des récepteurs kaïnate restent malheureusement incomplètes (Fig 12B). L'expression de chaque isoforme (édité et épissé) dans différentes régions du système nerveux et au cours du développement n'est que peu documentée (Wisden and Seeburg, 1993; Lilliu et al., 2002) mais l'existence d'une telle diversité permet de présumer une grande variété de combinaisons lors de l' hétéromérisation des récepteurs kaïnate.


3b - Structure et pharmacologie :
Les sous-unités des récepteurs kaïnate ont une topologie membranaire homologue à celles des récepteurs AMPA et NMDA (Bennett and Dingledine, 1995) (Fig 13). La principale différence entre les sous-unités GluR5, GluR6, GluR7 et KA1, KA2 est la capacité de ces sou-unités à former des récepteurs homomériques. Il est possible que les acides aminés composant le début de la boucle ré-entrante M2, qui sont différents entre les sous-unités GluR5, GluR6, GluR7 et KA1, KA2 (Fig 13), empêche la formation de canaux homomériques KA1 ou KA2. L'analyse comparée des domaines liant le glutamate (S1 et S2) des sous-unités des récepteurs de type AMPA et kaïnate permet de mettre en évidence de légères différences entre les sous-unités GluR2 et GluR6 pour les acides aminés formant des liaisons hydrogènes avec le glutamate (Fig 14, GluR2, PLT/GST ; GluR6, PLA/GAT). Pourtant les récepteurs AMPA et kaïnate natifs ont la même affinité pour le glutamate (EC50 300 M) (Paternain et al., 1996). Les différences entre les propriétés biophysiques et pharmacologiques des récepteurs de type AMPA et kaïnate ne sont pas simplement imputables au polymorphisme des acides aminés qui interagissent avec le glutamate (Swanson et al., 1997; Fleck et al., 2003).

L'étude des différentes familles de récepteurs ionotropiques du glutamate a requis (et permis) la mise au point d'outils pharmacologiques sélectifs de chaque famille de récepteurs. Les récepteurs kaïnate sont activés par l'acide kaïnique (EC50 20 M) et l'acide domoïque qui, comme le glutamate, possèdent trois groupements chargés (Fig 15). L'acide kaïnique et l'acide domoïque sont aussi des agonistes des récepteurs AMPA. L'ATPA (acide 5-tert-butyl-4-isoxazolepropionique), la (S)-5-iodowillardiine et l'AMPA sont des agonistes sélectifs des récepteurs kaïnate contenant la sous-unité GluR5 (pour l'ATPA, EC50 1 M), cependant l'ATPA et l'AMPA peuvent aussi activer les récepteurs hétéromériques composés des sous-unités GluR6 et KA2 mais avec une affinité plus faible (pour l'ATPA, EC50 20 M) (Fig 16). Les récepteurs kaïnate sont activés par les isomères du 4-méthylglutamate et en particulier par le SYM281 (2S-4R-methyl-glutamate, EC50 10 nM).

Les récepteurs AMPA et kaïnate sont difficiles à distinguer pharmacologiquement. Le CNQX (6-cyano-7-nitroquinoxaline), le DNQX (6,7-dinitroquinoxaline-2,3-dione, Fig 15) et le NBQX (2,3-dihydroxy-6-nitro-7-sulphamoyl-benzo(F)quinoxaline) sont des antagonistes compétitifs sélectifs des récepteurs de type AMPA à basses concentrations (Bettler and Mulle, 1995b; Lerma et al., 2001; Lerma, 2003).

Le rôle respectif de chaque sous-unité dans la pharmacologie des récepteurs kaïnate n'est pas clairement établi. L'utilisation de dysiherbaïne (agoniste sélectif des récepteurs kaïnate) a permis de mettre en évidence que l'activation spécifique de la sous-unité GluR5 dans un récepteur hétéromérique contenant les sous-unités GluR5 et KA2 suffit pour permettre l'ouverture du canal (Swanson et al., 2002). L'activation des récepteurs kaïnate par le glutamate dépend de la nature et de la stœchiométrie des sous-unités qui les composent.


3c - Propriétés des récepteurs recombinants :
Les propriétés cinétiques des récepteurs kaïnate ont principalement été étudiées par l'expression de récepteurs recombinants dans des cellules hétérologues. Ce type d'étude a notamment permis de définir la conductance unitaire des récepteurs homomériques GluR5-2b(Q) et GluR6a(Q), respectivement 2,9 et 5,4 picosiemens. L'amplitude des courants mesurés dépend du nombre de récepteurs présent à la surface des cellules mais aussi des propriétés biophysiques des récepteurs. Pour une concentration en glutamate plus faible (1 mM), l'amplitude du courant enregistré pour les récepteurs homomériques composés de la sous-unité GluR6a sont plus grand (~2 nA) que ceux enregistrés pour les récepteurs composés de GluR5-2b ou GluR7a (respectivement, Glu, 3 mM, 300 pA ; Glu, 30 mM, 600 pA) (Fig 16). Une des principales caractéristique des récepteurs kaïnate est leur activation et désensibilisation rapides en présence de glutamate (Fig 16). La désensibilisation correspond à la diminution de la réponse malgré la présence de l'agoniste. La cinétique de désensibilisation dépend de la composition en sous-unité et de l'agoniste utilisé (Fig 16). Les récepteurs homomériques composés des sous-unités GluR5-2b, GluR6a et GluR7a désensibilisent rapidement en présence de glutamate. Les récepteurs composés de la sous-unité GluR5-2b désensibilisent partiellement en présence de kaïnate, alors que le récepteurs hétéromériques GluR5-2b/KA2 désensibilisent rapidement et totalement en présence de kaïnate (Fig 16). L'acide domoïque, qui n'active pas les récepteurs homomériques composés de la sous-unité GluR7a, active les récepteurs composés de la sous-unité GluR6a qui ne désensibilisent que partiellement pour cet agoniste. La composition en sous-unités et l'assemblage sont des facteurs déterminants des propriétés fonctionnelles des récepteurs kaïnate (Lerma et al., 2001).


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