IV. Transduction et modulation du signal intracellulaire par les récepteurs D1 :

IV.B. Transduction et formation de complexes supra-moléculaires ("transducisome") :

Nous avons montré au chapître III.B.2 que si des cellules telles que les neurones et les cellules épithéliales étaient polarisées, l'analogie entre les différentes régions de la membrane plasmique de ces cellules était difficile à faire. De ce fait, il n'existe probablement pas de règles générales qui gouvernent la localisation d'un sous-type donné de récepteur dans des compartiments de la membrane plasmique. Certains récepteurs sont retenus dans les compartiments intracellulaires de cellules hétérologues, comme c'est le cas pour les récepteurs D2. Ces observations suggèrent qu'il manque un partenaire nécessaire à l'adressage ou à la rétention de ces récepteurs à la membrane plasmique. En outre, certains récepteurs sont clairement présents dans une région particulière de la membrane plasmique (Wozniak et al., 1997). Ces différences de rétention pourraient être à l'origine de la formation de micro-domaines tels que les densités post-synaptiques. La formation d'un environnement spécifique favorable à la transduction du signal par les récepteurs est certainement un fait important pour expliquer la diversité d'action des récepteurs. Si la localisation subcellulaire de chacun des sous-types est identique ou très proche, la spécificité provient alors de mécanismes de couplages différents.

Un aspect majeur de la transmission membranaire qui a été mis en avant ces dernières années est la nécessité d'assembler rapidement et efficacement tous les composants impliqués dans la transduction du signal. La formation de modules protéiques semble être une façon courante de permettre cette supra-organisation moléculaire (pour revue voir Lin et Pawson, 1997). Plusieurs protéines dont le rôle est de regrouper les composants d'une voie de transduction du signal depuis les récepteurs jusqu'aux effecteurs ont été découvertes. Deux types principaux de protéines semblent être impliqués : les guanylate kinases associées à la membrane ou MAGUK (Membrane-Associated Guanylate Kinase) et les protéines à domaines PDZ seuls (pour revue voir Kim, 1997 et Tableau 5).


Tableau 5 : Rôle des protéines contenant des domaines PDZ dans les interactions avec les récepteurs (d'après Kim, 1997). Abréviations : mGluR, metabotropic glutamate receptor; PKC, protein kinase C; PLC, phospholipase C; RTK, receptor tyrosine kinase; SAP, synapse-associated protein.


La plus connue des protéines MAGUK est la protéine PSD-95 ou SAP90. Chacune de ces protéines est capable par exemple d'associer les récepteurs NMDA aux canaux potassium ou de se lier avec une autre PSD-95. Le sous-type NR1 du récepteur NMDA n'a besoin que des sites de régulations de la Protéine Kinase C (PKC) pour former ces agrégats. Pourtant, certains variants d'épissage de NR1 sont capables d'interagir avec la protéine PSD-95 lors d'expérience de double-hybride dans la levure, l'association se faisant entre le 2ème domaine PDZ de PSD-95 et la région C-terminale du récepteur, qui porte un motif de type Thr/Ser-X-Val. Pour le récepteur AMPA, c'est dans la région C-terminale que le domaine d'association se trouve. La PKC contrôle aussi cette région par phosphorylation. La protéine PSD-95 pourrait alors servir d'adaptateur entre le récepteur et le cytosquelette. Approximativement 10% des récepteurs couplés aux protéines G contiennent ce motif de liaison aux protéines PDZ (Tableau 6). En fait, les protéines MAGUK possèdent plusieurs domaines PDZ associés à des domaines SH3. Sur la base de similitudes avec des protéines trouvées chez Caenorhabitis elegans, elles agiraient comme système d'ancrage pour localiser les récepteurs à la membrane plasmique à leur place définitive. Ces protéines pourraient changer les propriétés de cohésion des synapses en modifiant les interactions entre les molécules d'adhérence (Craven et Bredt, 1998). Mais la plus intéressante de leurs propriétés est qu'elles permettent d'associer les récepteurs à un système de transduction. Ainsi la PSD-95 se lie à l'enzyme capable de synthétiser du monoxyde d'azote dans les neurones, la nNOS (neural Nitric Oxyde Synthase), un effecteur des récepteurs NMDA (Brenman et al., 1996). Mais pour le moment ce sont surtout des observations qui ont été faites, et très peu d'analyses fonctionnelles ont été publiées en dehors de la drosophile et de Caenorhabitis elegans.


Tableau 6 : Exemples de récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) contenant un domaine de liaison aux protéines à domaines PDZ potentiel (d'après Neubig, 1998). Les séquences des récepteurs couplés aux protéines G ont été obtenues à partir des banques de données. La séquence potentielle des domaines PDZ a été recherchée avec le programme Geneman. Sur les 179 séquences de récepteurs humains, 24 contenaient le motif de liaison PDZ.



Dans la deuxième classe de protéines se trouvent les protéines à domaines PDZ seuls qui peuvent se lier par exemple à la région C-terminale des récepteurs métabotropiques du glutamate ou aux récepteurs AMPA (Brakeman et al., 1997). Comme les protéines MAGUK, il semble que ces protéines puissent ancrer les récepteurs à la membrane pour former des sortes de micro-environnements cellulaires associant le récepteur et ses voies de transduction. C'est à partir des travaux effectués dans la rétine que les idées sur les phénomènes de complexe de transduction macromoléculaire se sont élaborées. Ainsi les récepteurs TRP (Transient Receptor Potential) et TRPL (TRP-Like) de l'œil de drosophile ne donnent une réponse in vivo en présence de lumière que si leur expression est conjointe (pour revue voir Scott et Zuker, 1998). Des études de conductance et d'immunoprécipitation montrent que ces canaux forment des hétéromultimères. Dans ce complexe intervient la molécule INAD (Inactivation-No-Afterpotential D) qui possède cinq domaines PDZ. Elle assure le recrutement des canaux ioniques TRP, de la PKC et des effecteurs de la PLC. Ce complexe offre une grande sélectivité et rapidité dans la transmission de l'information. La détection des changements localisés dans la concentration du calcium est ainsi sensible et rapide. Une mutation dans le troisième domaine PDZ de la protéine INAD modifie la localisation des canaux TRP, et ceux-ci ne sont alors plus restreints aux rhabdomères (Chevesich et al., 1997). Les domaines PDZ interviennent aussi dans le regroupement des canaux potassium de type «shaker», facilitent l'association de molécules d'adhésion cellulaire comme la fasciline II et contribuent à la distribution cellulaire de molécule comme LET23 (récepteur tyrosine kinase). Dans le modèle rétinien, de nombreuses molécules se lie à INAD : la rhodopsine majoritaire (Rh1), la PLC, la PKC, la calmoduline et les TRPL. Grâce à des interactions entre ses domaines PDZ, la protéine INAD est capable d'homomultimérisation, ce qui augmente la taille des complexes susceptibles de se former. De plus, le contrôle transcriptionnel de certaines des protéines de la même famille comme la protéine Homer capable de fixer le récepteur AMPA, indique que ces molécules d'ancrage sont non seulement capables d'assurer la localisation correcte des récepteurs mais aussi d'intervenir dans la régulation de leur activité (Brakeman et al., 1997).

La formation de complexes supra-moléculaires pourrait donc permettre le couplage à différentes voies de signalisation cellulaire en fonction de la présence ou non des protéines capables de s'associer au récepteur (Figure 16). C'est le cas de la protéine calcyon, trouvée récemment grâce à son interaction avec le récepteur D1A humain (Lezcano et al., 2000). Cette protéine est colocalisée avec le récepteur dans certaines régions du cerveau comme le cortex et l'hippocampe. La microscopie électronique montre que, dans ces régions, la protéine se retrouve à la périphérie des dendrites post-synaptiques dans les épines dendritiques, où elle est colocalisée avec le récepteur D1A. Des analyses fonctionnelles ont montré qu'en présence de cette protéine, les récepteurs D1A exprimés dans un système hétérologue étaient capables de libérer le calcium intracellulaire en augmentant le couplage du récepteur à la protéine Gq/11. C'est la présence de l'agoniste qui semble capable de produire cette interaction récepteur/calcyon. De plus, des expériences préliminaires semblent montrer que cette protéine est aussi capable d'interagir avec le récepteur D1B humain.

D'autres protéines ont été identifiées pour intervenir dans la formation des micro-domaines membranaires. La rapsyne par exemple, est localisée dans les associations de récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine. En son absence, il n'y a pas de regroupement de récepteurs, ni de liens avec le cytosquelette. L'agrine joue un rôle dans l'induction de ces associations de récepteurs que l'on retrouve à la jonction neuromusculaire. La gephyrine encore, est, quant à elle, capable d'agréger les récepteurs de la glycine dans les synapses axo-dendritiques et d'assurer la liaison avec les microtubules du cytosquelette.
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Toutes ces observations convergent pour faire émerger la notion de "transducisome" (Figure 16). Cette structure modulaire de composition variable contient toutes les protéines impliquées dans la transmission d'un signal spécifique du récepteur aux principales cascades de signalisation (Tsunoda et al., 1998). Ces mécanismes conservés des nématodes à l'homme peuvent rendre compte de la diversité des récepteurs ayant des caractéristiques proches et des localisations cellulaires semblables. Ainsi, grâce à des protéines d'"échafaudage", les récepteurs pourraient agir sur des voies de signalisation cellulaire différentes bien qu'ils soient colocalisés à l'intérieur d'une même cellule. Toutefois, l'expression des récepteurs dans des cellules qui diffèrent par leur contenu en protéines qui composent les voies de signalisation intracellulaire peut souvent expliquer les réponses différentes observées pour un même récepteur (Paolillo et al., 1999). Ainsi les cellules granulaires du cervelet sont riches en sous-unités RIa et RIIa alors que les neurones corticaux contiennent RIIb. Cette différence de composition peut-être à l'origine de la différence de transmission du signal de l'AMPc vers le noyau. Contrairement à l'idée classique, il ne semble pas y avoir de mécanisme de navette entre les récepteurs, les protéines G et les effecteurs. Il sembe plutôt que la fixation du ligand et l'activité du récepteur qui en résulte affecte la réponse générée par le complexe supra-moléculaire incluant les protéines G, le récepteur et l'adénylate cyclase (Chidiac, 1998).



Figure 16 : Transduction du signal et endocytose des récepteurs couplés aux protéines G. Sur ce schéma, les deux voies connues d'endocytose sont représentées. La première voie fait intervenir les vésicules recouvertes de clathrine. Lorsque le ligand se fixe sur le récepteur, celui-ci active les protéines G (Gs) et l'adénylate cyclase (AC). Avec l'aide probable de protéines d'ancrage, des protéines kinases (PKA et GRK) sont recrutées à la membrane plasmique. Elles phosphorylent le récepteur et facilitent la liaison des protéines arrestines qui agissent comme adaptateur entre le récepteur et la clathrine. L'endocytose du récepteur s'effectue alors vers les endosomes précoces, puis, plus tard, vers la voie de dégradation ou bien par recyclage vers la surface. La seconde voie d'endocytose fait intervenir les caveolae. Ces vésicules sont plus petites que les vésicules recouvertes de clathrine et contiennent de grande quantité de cavéolines. Ces protéines pourraient agir comme un échafaudage pour assurer le contact entre le récepteur et ses voies d'activation en formant un macro-complexe appelé «transducisome». Lorsque le ligand rejoint le récepteur dans ou hors des caveolae, la cellule est alors prête pour assurer la transduction du signal puisque toutes les protéines nécessaires sont rassemblées dans les caveolae.



En plus de ces protéines spécifiques permettant de monter cet «échafaudage» de la transduction, les effecteurs eux-mêmes contiennent des domaines permettant des interactions multiples. C'est le cas des sous-unités bg des protéines G et de leur domaine d'homologie avec la pleckstrine (domaine PH, Pleckstrin Homology; pour revue voir Inglese et al., 1995; Lemmon et Ferguson, 1998; Rebecchi et Scarlata, 1998). Ces domaines sont présents chez de nombreux effecteurs de cette sous-unité comme la dynamine (Liu et al., 1997; Scaife et Margolis, 1997). Le rôle de ces domaines pourrait être, sous l'effet d'un agoniste, de permettre le recrutement à la membrane, de toutes les protéines nécessaires à la transduction correcte du signal (Shaw, 1996; van Biesen et al., 1996). Si le phénomène de "mobilisation membranaire" est démontré pour les éléments de la voie de transduction du signal, l'existence d'un mécanisme similaire reste discuté pour les récepteurs eux-mêmes. Des expériences effectuées sur des lignées épithéliales de rein (LLCP-K1) ont mis en évidence (Holtbäck et al., 1999) que le traitement par le neuropeptide Y ou le peptide natriurétique atrial entraîne la relocalisation des récepteurs a1-adrénergiques et D1 dopaminergiques depuis un compartiment cytoplasmique vers la membrane plasmique. Cette translocation a lieu dans les secondes qui suivent le traitement par les peptides.

Il existe une base morphologique à cette notion de "transducisome", plusieurs expériences montrent que les caveolae, structures membranaires impliquées dans l'endocytose constitutive, contiennent un grand nombre de protéines impliquées dans la transduction du signal comme les protéines G hétérotrimériques, les protéines tyrosine kinases Src et les GTPases Ras (Li et al., 1996; Song et al., 1996 et Tableau 7).


Tableau 7 : Liste partielle des molécules enrichies dans les caveolae (d'après Anderson, 1998). Abréviations : NOS, Nitric Oxyde Synthase; PDGF, Platelet-Derived Growth Factor; EGF, Epidermal Growth Factor; CCK, Cholecystokinin; PKC, Protein Kinase C; MAPK, Mitogen-Activated Protein Kinase.


La caveoline 1, protéine constituante des caveolae, se lie d'ailleurs préférentiellement à la forme inactive GDP des protéines G et peut réguler leur activité (Li et al., 1995). En fait, l'analyse précise de la localisation des effecteurs du signal des récepteurs couplés aux protéines G montre que les protéines G hétérotrimériques et l'adénylate cyclase se regroupent dans les caveolae (Huang et al., 1997). La localisation des protéines G dans des domaines membranaires lipidiques (raft) précurseur des caveolae se fait par des modifications lipidiques des protéines (Moffet et al., 2000). La myristoylation et la palmitoylation sont suffisantes pour associer Gas et les «raft». De plus, la prénylation des sous-unités Gbg les exclut de ces mêmes structures. D'autres expériences effectuées par fractionnement cellulaire et immunocytochimie avec des protéines régulatrices des protéines G (RGS-GAIP), montrent qu'elles interagissent avec la clathrine et les vésicules d'endocytose dérivées de la membrane plasmique, dans le réseau trans-Golgien (De Vries et al., 1998). Dans les caveolae, on retrouve d'ailleurs la protéine nNOS ciblée dans ce domaine par palmitoylation (García-Cardeña et al., 1996; Shaul et al., 1996). Cette compartimentalisation renforce le concept de complexe supra-moléculaire associé à des structures particulières de la membrane plasmique. Ces sous-domaines permettent d'optimiser l'efficacité et la fidélité de la transduction du signal en couplant le récepteur aux modules de transduction de façon rapide et efficace (Figure 16).

Ces dernières années, le rôle de ces protéines «d'échafaudage» semble de plus en plus important et les démonstrations d'interactions entre des récepteurs couplés aux protéines G et d'autres protéines sont de plus en plus nombreuses. Ces interactions permettent d'expliquer les effets non «classiques» des récepteurs. Ainsi les récepteurs b2-adrénergiques sont capables d'interagir avec l'échangeur d'ions Na+/H+ par l'intermédiaire d'un facteur d'échange (Hall et al., 1998). Cette interaction fait intervenir un domaine PDZ de la protéine qui interagit avec le C-terminal du récepteur b2. Afin de bien comprendre les modulations possibles des voies de signalisation par les différents sous-types du récepteur D1, il est nécessaire de les passer en revue.