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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


III - Le trafic des protéines dans les neurones :

1 - Biosynthèse protéique


2 - Transport dans les compartiments fonctionnels :

Le volume cytosolique des neurones est environ 10 000 fois plus important que celui de la majorité des cellules eucaryotes. De plus la diversité morphologique des neurones implique l'expression d'un large répertoire de protéines dans des compartiments spécifiques. Cette contrainte impose entre autre l'existence d'un système de transport et de motifs d'adressage adéquats. Ce transport intervient d'abord dans les différents compartiments de biosynthèse, puis dans les deux principaux compartiments neuronaux, l'axone et les dendrites, et enfin dans des compartiments plus spécifiques comme la synapse ou le segment initial de l'axone.
Dans les neurones le transport de protéines ou d'organelles peut être passif, c'est à dire par diffusion, ou actif, c'est à dire qui dépend d'une activité enzymatique. Le transport actif s'effectue grâce à des moteurs moléculaires (kinésines et les dynéines) circulant sur les éléments du cytosquelette. Les kinésines se dirigent en général vers l'extrémité positive des microtubules alors que les dynéines se déplacent vers l'extrémité négative. Dans un neurone, on parle de transport antérograde lorsque les objets vont du corps cellulaire vers l'extrémité de la cellule et de transport rétrograde pour le sens inverse. (Goldstein and Yang, 2000).

2a - Adressage des ARNm :
La délocaliser la synthèse protéique permet une adaptation rapide de la réponse cellulaire impliquée dans la plasticité et les processus d'apprentissage (Miller et al., 2002). La présence de polyribosomes au niveau des synapses (Steward and Levy, 1982) suggère que la traduction peut être délocalisée dans les neurones. Les signaux de transport actuellement identifiés sont situés dans les parties 3' et 5' non traduites de ces ARNm. A ce jour plus d'une douzaine d'ARNm différents ont été localisés dans les neurites (Steward and Schuman, 2003). Ces ARNm codent pour des protéines cytosoliques et membranaires comme la sous-unité alpha de la CaM kinase de type II (CaMKII), MAP2 et Arc qui sont des protéines associées au cytosquelette ou encore la sous-unité alpha des récepteurs de la glycine. Il peut y avoir une biosynthèse localisée de protéines au niveau des axones chez les invertébrés (Anwyl, 1999; Brittis et al., 2002). Aucune étude n'indique que les ARNm codant pour les sous-unités des récepteurs kaïnate puissent être exportés vers le compartiment axonal ou dendritique.

2b - L'étape du réticulum endoplasmique :
L'adressage membranaire des sous-unités des récepteurs kaïnate dépend principalement de motifs de rétention ou d'export qui régulent la sortie du réticulum endoplasmique. La sortie du réticulum endoplasmique est une étape limitante dans le trafic de nombreux récepteurs des neurotransmetteurs vers la membrane plasmique.

Les récepteurs métabotropiques :
Les récepteurs métabotropiques des neurotransmetteurs fonctionnent généralement sous forme de dimères (Milligan et al., 2003). Ainsi, le récepteur GABAB1 (récepteur du GABA, acide gamma amino butyrique) ne forme pas de récepteur fonctionnel s'il n'est pas dimérisé avec le récepteur GABAB2. Le récepteur GABAB1a (un variant d'épissage) est retenu dans le RE par un motif de type " RXR " présent dans son domaine cytosolique (tableau 1). Ce motif de type " RXR " n'intervient pas dans la dimérisation entre les récepteurs GABAB1 et GABAB2 (Couve et al., 1998; Margeta-Mitrovic et al., 2000; Pagano et al., 2001). De récents travaux indiquent que l'adressage du récepteur GABAB1 vers la membrane plasmique peut être facilité par la co-expression d'une sous-unité des récepteurs GABAA (récepteurs canaux du GABA) (Balasubramanian et al., 2004). Ce résultat permet de penser qu'il peut exister des systèmes de trafic coopératifs entre des récepteurs métabotropiques et ionotropiques.
Pour les récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR), la dimérisation est aussi un étape nécessaire avant la sortie du RE. Le récepteur mGluR1b est retenu dans le RE par un motif RRKK présent dans son domaine C-terminal cytosolique (tableau 1), la co-expression du récepteur mGluR1b avec le variant d'épissage mGluR1a permet l'export du dimère vers la membrane plasmique (tableau 2)(Chan et al., 2001). Enfin, les récepteurs mGluR5 sont principalement retenus dans le réticulum endoplasmique. Cette rétention dépend de la liaison de la protéine homer1b aux récepteurs mGluR5 sur leur motif riche en prolines (tableau 1)(Roche et al., 1999).

Les récepteurs ionotropiques :
La majorité des récepteurs ionotropiques sont des protéines multimériques formant des pores dans la membrane plasmique. Dans ces assemblages, chaque sous-unité peut-être porteuse d'une séquence qui régule le trafic du récepteur. Les récepteurs de type NMDA sont composés au moins de la sous-unité NR1 pour laquelle il existe différents variants d'épissages. Tous les variants sont au moins composés de l'exon C0 qui comporte un motif de rétention dans le RE de type " RXR " (tableau 1). Ce signal peut-être masqué par l'association avec des protéines à domaine PDZ ainsi que par la phosphorylation de la sous-unité (Standley et al., 2000; Scott et al., 2001). L'épissage alternatif de cette sous-unité est aussi un facteur régulateur de la sortie du RE car les isoformes NR1-3 et NR1-4 sont composées par l'exon C2' qui comprend un motif TVV terminal qui permet la liaison des récepteurs avec le complexe COPII (Tableau 2)(Mu et al., 2003). Une autre sous-unité des récepteurs NMDA, NR2B, possède dans son domaine C-terminal un motif HLFY essentiel pour l'assemblage avec la sous-unité NR1 et la sortie du RE (tableau 2)(Hawkins et al., 2004). Enfin, la sous-unité NR3B des récepteurs NMDA n'est pas exprimée sous forme de récepteur homomérique à la surface des cellules car elle est retenue dans le RE (Matsuda et al., 2003).
Le domaine N-terminal de la sous-unité GluR1 des récepteurs AMPA porte un motif d'export du RE (tableau 2)(Xiao et al., 1998). Le niveau d'édition de la sous-unité GluR2 au site Q/R régule l'expression de surface des récepteurs AMPA qu'elle compose (tableau 2)(Greger et al., 2002). Le trafic vers la membrane plasmique de la sous-unité GluR4 dépend d'un triplet d'acides aminés basiques permettant l'interaction avec des protéines de la famille 4.1 (Coleman et al., 2003). Enfin, la sous-unité GluR 2 des récepteurs du glutamate de type doit contenir un segment de son domaine N-terminal absent dans la mutation délétère ho-4j (Hot foot 4j) ainsi que les acides aminés GSRVP de son domaine C-terminal (tableau 2)(Matsuda and Yuzaki, 2002; Matsuda et al., 2004).
Les sous-unités des récepteurs ionotropiques de l'acétylcholine, la sous-unité 1 des récepteurs glycinergiques (GlyR 1) et la sous-unité b des récepteurs de la sérotonine (5HT3Rb) sont aussi retenues dans le RE. La rétention de ces sous-unités dans le RE est levée par l'association avec une autre sous-unité formant le récepteur canal (tableau 1)(Griffon et al., 1999; Boyd et al., 2002; Wang et al., 2002).
La sortie du RE repose donc sur une signalétique complexe faisant intervenir des déterminants moléculaires, des partenaires protéiques ou encore des activités enzymatiques telle que l'édition, la phosphorylation et la glycosylation. L'étude du trafic intracellulaire des canaux potassiques reflète la complexité de ces phénomènes (tableau 1 et 2)(Sharma et al., 1999; Zerangue et al., 1999; Li et al., 2000; Ma et al., 2001; Ma and Jan, 2002; O'Kelly et al., 2002; Yuan et al., 2003). Les mécanismes précis de la rétention et de l'export du réticulum endoplamsique ne sont pas connus. Le seul motif ubiquitaire impliqué dans la rétention de récepteurs aux neurotransmetteurs dans le RE est le motif de type " RXR ". La sous-unité KA2 des récepteurs kaïnate est retenue dans le RE par un motif riche en arginine de type " RXR " et les sous-unités GluR5c et GluR7b portent dans leur domaine C-terminal un motif de type " RXR ".


2c - Adressage axonal et dendritique :

2c1 - Généralités :

La polarité morphologique et fonctionnelle du neurone implique un adressage sélectif des protéines vers les compartiments axonaux et dendritiques et une stabilisation des protéines dans ces différents domaines. Les mécanismes de cet adressage polarisé dans les neurones ne sont pas encore clairement établis. Selon les protéines membranaires étudiées, plusieurs mécanismes ont été identifiés : soit un adressage direct par des mécanismes de tri au cours de la biosynthèse, soit un mécanisme d'endocytose différentielle selon les compartiments ou encore des processus de transcytose.

2c2 - Déterminants moléculaires :
Les récepteurs du glutamate de type NMDA, le motif de liaison aux protéines à domaine PDZ de la sous-unité NR2B permet une d'interaction avec le complexe lin2/lin7/lin10 (Jo et al., 1999). Ce complexe protéique est un système adaptateur qui permet une liaison avec le moteur moléculaire KIF17. Ce moteur moléculaire dirige le complexe vers le compartiment dendritique (tableau 3)(Setou et al., 2000). La sous-unité GluR1 des récepteurs AMPA porte dans son domaine C-terminal une séquence qui exclut cette sous-unité de l'axone (Ruberti and Dotti, 2000). L'interaction de la sous-unité GluR2 avec le moteur moléculaire KIF5 via la protéine GRIP assure le trafic des récepteurs AMPA contenant la sous-unité GluR2 vers le domaine dendritique (tableau 3)(Setou et al., 2002).
Une séquence de 65 acides aminés est nécessaire et suffisante pour l'adressage axonal du récepteur mGluR7 (Stowell and Craig, 1999). L'adressage axonal du récepteur mGluR1b dépend des trois premiers acides aminés du motif de rétention dans le RE présent dans son domaine C-terminal (Tableau 3)(Francesconi and Duvoisin, 2002).
Un motif d'adressage vers le compartiment dendritique a été identifié pour la sous-unité des canaux potassiques Kv4 (Rivera et al., 2003), et le domaine N-terminal cytosolique des sous-unités Kv1 est essentiel pour l'adressage axonal de ces canaux (tableau 3)(Gu et al., 2003). L'analyse comparée des différents motifs décrits dans la littérature ne permet pas d'établir une signature moléculaire de l'adressage dendritique ou axonal qui pourrait être généralisées aux sous-unités des récepteurs kaïnate.

2c3 - La palmytoylation :
L'adressage protéique dans les neurones dépend aussi des modifications post-traductionnelles que subissent les protéines. Ainsi, la protéine GAD65, impliquée dans la synthèse du neurotransmetteur GABA, est principalement présente dans le compartiment pré-synaptique et cet adressage dépend de sa palmitoylation (Kanaani et al., 2004). La palmitoylation de GAP-43 (protéine de croissance axonale), de la paralemine (protéine impliquée dans la dynamique membranaire) et de la PSD-95 conditionne leur adressage axonal ou dendritique. La différence d'adressage des protéines palmitoylées associées aux membranes dépend de la charge des acides aminés autour de la cystéine qui reçoit le groupe palmitoyl, les acides aminés basiques permettent un adressage axonal (tableau 3)(El-Husseini et al., 2001). La protéine PSD-95 interagit avec les sous-unités GluR6a et KA2 des récepteurs kaïnate. Cette interaction pourrait être un des mécanismes de l'adressage dendritique des récepteurs kaïnate.

2c4 - L'endocytose différentielle :
L'adressage polarisé dans les neurones peut dépendre de mécanismes intervenant après l'insertion dans la membrane plasmique. Le domaine C-terminal de la sous-unité Nav1.2 des canaux sodiques confère un adressage axonal des canaux grâce à l'endocytose sélective des canaux dans le compartiment somato-dendritique (Garrido et al., 2001). L'endocytose différentielle ne constitue pas un mécanisme d'adressage spécifique vers l'axone. Le TrfR est endocyté dans le compartiment somato-dendritique pour être ensuite adressé vers l'axone ; le trafic vers l'axone du TrfR se fait par transcytose (Hémar et al., 1997).

2c5 - Mécanismes de l'adressage axonal et dendritique :
L'expression de répertoires protéiques spécifiques dans les compartiments axonaux et dendritiques requiert donc des mécanismes variés dont aucun ne semble spécifique du compartiment cible. Cependant, il est possible de synthétiser ces résultats et de décrire trois grands phénomènes : 1) L'adressage préférentiel, mécanisme par lequel une protéine serait dirigée vers un compartiment plutôt qu'un autre par une machinerie spécialisée, c'est le cas des sous-unités NR2B et GluR2 (Setou et al., 2000; Setou et al., 2002). 2) L'exclusion, mécanisme qui exclut la protéine des compartiments autres que le compartiment cible. 3) La recapture, un mécanisme où l'endocytose différentielle ferait disparaître la protéine d'un compartiment, c'est le cas de la sous-unité Nav1.2 (Garrido et al., 2001). En résumé, ces trois mécanismes doivent coexister mais il n'existe pas encore de marqueur protéique ou de déterminants moléculaires permettant de les caractériser.


2d - Adressage dans le segment initial de l'axone :
Dans les neurones, il existe une barrière de diffusion, entre les compartiments somato-dendritique et axonal. Cette barrière de 60 à 90 µm formée de cytosquelette d'actine et de protéines d'ancrage se trouve au niveau du segment initial de l'axone (Winckler and Mellman, 1999). Fonctionnellement, le segment initial de l'axone (SIA) est le lieu privilégié de la genèse des potentiels d'action et constitue un sous-domaine fonctionnel du neurone. L'étude des canaux sodiques a permis de montrer qu'il existait un motif d'adressage spécifique de ces canaux vers le SIA. Ce motif constitue aussi un site d'interaction avec l'ankyrin G (Garrido et al., 2003). Cette séquence est contenue dans la boucle cytosolique II-III de la sous-unité Nav 1.2, qui contient aussi un motif d'endocytose permetant une endocytose différentielle nécessaire pour l'expression spécifique de la sous-unité dans le SIA (Fache et al., 2004).

2e - Adressage synaptique :
A ce jour la seule protéine qui soit décrite comme exclusivement post-synaptique (aux synapses glutamatergiques) est Homer 1c, une protéine d'échafaudage qui interagit avec les récepteurs métabotropiques du glutamate du groupe 1. L'adressage synaptique de cette protéine dépend de ses domaines EVH1 (enable/VASP homology 1) et " leucine zipper " (Usui et al., 2003). Pour le compartiment pré-synaptique, il n'existe pas de protéines qui soit détectée spécifiquement dans la terminaison pré-synaptique. Ainsi l'étude de l'adressage spécifique dans les compartiments pré et post-synaptiques est rendue difficile par le manque de marqueur spécifique.
Cependant, il existe une documentation riche concernant l'adressage synaptique des récepteurs du glutamate de type AMPA, et en particulier de la sous-unité GluR2 (fig 19). Les récepteurs contenant la sous-unité GluR2 sont retenus dans le réseaux trans-Golgien (TGN) par une interaction avec la protéine lin10 (Stricker and Huganir, 2003). La sortie du TGN (ou d'une compartiment assimilé) se fait par la formation d'un complexe entre la sous-unité GluR2, la stargazine (Stgz, sous-unité 2 des canaux calciques de type P/Q) et la protéine nPist (protéine à domaine PDZ de l'appareil de Golgi)(Cuadra et al., 2004). Cet hétéro-complexe interagit avec la protéine LC2 (light chain2), une sous unité du complexe MAP1A (associé aux microtubules), qui permet l'insertion de vésicules contenant la sous-unité GluR2 des récepteurs AMPA dans la membrane plasmique péri-synaptique (Ives et al., 2004). Le recrutement du complexe récepteur/Stgz par la PSD-95 permet l'insertion du récepteur dans la densité post-synaptique (Chen et al., 2000). Ainsi l'adressage synaptique des récepteurs du glutamate de type AMPA ce fait en deux étapes successives, l'insertion dans la membrane plasmique puis le recrutement synaptique. Ces deux étapes dépendent de l'association entre GluR2 et la Stgz (Chen et al., 2000). Enfin, les récepteurs AMPA diffusent dans la membrane plasmique et peuvent entrer dans la synapse par diffusion latérale (Tardin et al., 2003). L'adressage synaptique des récepteurs de type AMPA est assez bien documenté car ces récepteurs sont les principaux médiateurs de la réponse synaptique glutamatergique.

En conclusion, l'expression de répertoires protéiques spécifiques dans les différents compartiments fonctionnels du neurone repose sur une signalétique variée et des mécanismes complexes dont le caractère ubiquitaire n'est pas encore établi. Cependant ces mécanismes sont autant de cibles possibles pour la régulation par l'activité neuronale et en particulier de la transmission synaptique. Les mécanismes de l'adressage membranaire, polarisé et synaptique des récepteurs de type AMPA et NMDA sont assez bien documentés, par contre les mécanismes de la distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate restent peu connus. Cette question a constitué le point de départ de mon travail de thèse.



Problématique :

Les récepteurs de glutamate kaïnate jouent une grande variété de rôles dans la régulation de l'activité des réseaux neuronaux. Cette diversité fonctionnelle repose sur une distribution variée des récepteurs kaïnate dans les différents compartiments fonctionnels du neurone. Les déterminants moléculaires et les mécanismes qui sous-tendent cette diversité de localisation ne sont que peu documentés, en particulier la contribution respective de chaque variants d'épissage des sous-unités GluR5, GluR6, GluR7. Ce travail de thèse concerne l'étude de la distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate dans les compartiments de la voie de biosynthèse protéique et dans les différents compartiments fonctionnels du neurone.


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