Les relâchements de Ca2+ lors du couplage excitation-contraction s’incrivent dans le cadre de l’homéostasie calcique. Les mouvements et concentrations de Ca2+ dans les différents compartiments cellulaires sont régulés par de nombreux mécanismes, comme les échanges de Ca2+ entre le RS et les mitochondries ou l’entrée capacitive. Le maintien de cet équilibre implique une régulation fine des entrées et des sorties de Ca2+ par les différents canaux calciques présent dans la membrane de chaque organite. Parmi les acteurs de cette homéostasie calcique se trouvent les protéines du CRC, mais égalements l’IP3R, VDAC, et les protéines de l’entrée capacitive, STIM1, Orai1 et les TRPC.
1. Le récepteur de l’IP3
Le récepteur de l’IP3 (IP3R) est un canal calcique du RS qui partage des caractéristiques structurales et fonctionnelles avec le RyR. Il a été purifié pour la première fois à partir du cervelet de rat où il est très abondant (Supattapone et al., 1988). Trois isoformes de l’IP3R provenant de trois gènes différents ont été clonées (Furuichi et al., 1989; Ross et al., 1992; Blondel et al.,
1993; Patel et al., 1999): IP3R-I, IP3R-II et IP3R-III (Tableau 2). Leurs séquences en acides aminés présentent 60 à 80% d’identités surtout dans le domaine de liaison à l’IP3 et dans le pore du canal (Patel et al., 1999; Taylor et al., 1999). L’IP3R est un tétramère dont chaque sous-unité est d’environ 300 kDa. Les monomères peuvent former des homo ou des hétérotétramères (Joseph et al., 1995; Joseph et al., 1997).
Tableau 2: Clonage des isoformes de l'IP3R chez le rat, la souris et l’homme.
Rat Souris Homme
Nombre d’aa 2750 2749 2695 (314kDa)
Localisation
génomique 3p25-26
IP3R-I
publication Mignery et al., 1990 Furiuichi et al., 1989b Yamada et al., 1994
Nombre d’aa 2701 (307kDa) 2701
Localisation
génomique 12p11
IP3R-II
publication Sudhof et al., 1991 Ross et al., 1992 Yamada et al., 1994
Nombre d’aa 2670 (304kDa) 2671
Localisation
génomique 6p21
IP3R-III
publication Blondel et al., 1993 Kume et al., 1993 Yamamoto-Hino et al., 1994
Chaque monomère contient un domaine N-terminal cytoplasmique (85% de la masse de la protéine), six hélices transmembranaires (Figure 17, TM1 à TM6)
et al., 1999) et une courte partie C-terminale cytoplasmique. La délétion des 410 premiers acides aminés empêche toute liaison à l’IP3, cette région a donc été définie comme son domaine de liaison sur le récepteur (Mignery et al., 1990). Le pore du canal est constitué des hélices transmembranaires 5 et 6 (Michikawa et al., 1994). La délétion des quatre premières hélices transmembranaires n’empêche pas la formation d’un canal. Le canal composé des hélices 5 et 6 a une conductance et des propriétés de sélectivité normales (Ramos-Franco et al., 1999).
Les relâchements de Ca2+ par l’IP3R sont activés par l’IP3. L’IP3 provient de la coupure du PIP2 en IP3 et DAG par la phospholipase C, elle-même activée par une protéine G de la membrane plasmique (Berridge, 1993). L’IP3R est également activé par le Ca2+ (CICR), et par les drogues qui stimulent la production d’IP3 comme l’ATP. Comme le RyR, l’IP3R est activé par la caféine, ce qui rend difficile son étude fonctionnelle en présence du RyR.
Figure 17: Topographie de l'IP3R. Tête de flèche: pore du canal. TM: hélice transmembranaire. Adaptation du
schéma de Foskett et al., 2007.
phosphorylation de facteurs de transcription. Ainsi, dans le muscle squelettique comme dans les neurones, l’IP3R pourrait être impliqué dans la régulation de l’expression des gènes. Dans le cœur, l’IP3R-II est l’isoforme majoritaire. Il est localisé dans le reticulum périnucléaire où ses relâchements de Ca2+ sont impliqués dans la régulation de l’expression des gènes (Bare et al., 2005). L’IP3R-II est également localisé dans le RS jonctionnel sous membranaire, avec RyR2, où il joue un rôle de modulation du couplage-EC (Lipp et al., 2000).
De nombreuses protéines régulatrices sont associées avec ce canal, dont la junctate
(Treves et al., 2004) et la calmoduline. Une association avec FKBP12 a également été montrée
(Cameron et al., 1995a; Cameron et al., 1995b; Cameron et al., 1997) et bien qu’elle soit aujourd’hui controversée
(Bultynck et al., 2001a; Bultynck et al., 2001b), des données obtenues par électrophysiologie montrent que FKBP12 est capable de réguler les relâchements de Ca2+ par l’IP3R-I (Dargan et al., 2002).
L’IP3R et le RyR présentent des identités de séquence au niveau du pore du canal
(Galvan & Mignery, 2002). Les aspartates 4907 et 4908 du RyR, qui permettent son interaction avec un domaine KEKE de la triadine, sont conservés dans l’IP3R (Figure 18, têtes de flèche). En raison des identités de séquence de l’IP3R avec le RyR et de sa colocalisation avec Trisk 32 dans le RS longitudinal, l’association de l’IP3R-III avec Trisk 32 a été recherchée et montrée au laboratoire par immunoprécipitation dans les cellules L6 transfectées avec l’ADNc de Trisk 32 (Vassilopoulos et al., 2005).
2. Le dialogue calcique entre le RS et les mitochondries
Les mitochondries sont localisées soit sous la membrane plasmique, soit entre les myofibrilles où elles fournissent l’énergie pour la contraction. Les mitochondries localisées
Figure 18: Identités entre les séquences des pores de sélectivité du RyR1 de lapin et de l'IP3R-III de rat, et domaines d'interaction du RyR avec la triadine. Les rectangles représentent les hélices transmembranaires. Les nombres sous les têtes de
Le RS et les mitochondries peuvent stocker le Ca2+ et le relâcher dans l’interstice qui les sépare, créant des microdomaines de forte concentration calcique. Ainsi, il existe un dialogue calcique entre le RS et les mitochondries qui permet de réguler l’homéostasie calcique et qui est directement lié à la distance séparant les deux organites (Sharma et al., 2000). Parmi les principales protéines impliquées dans ce dialogue se trouvent le RyR, l’IP3R et VDAC. Le canal VDAC (Voltage Dependent Anion Channel) est un canal de la membrane mitochondriale externe de 30-35 kDa qui laisse passer anions (Benz, 1994), cations (Mannella & Wang, 1989) et adénonucléotides (Colombini, 1989). Il a également été retrouvé dans la membrane du RS du muscle strié (Junankar et al., 1995; Shoshan-Barmatz et al., 1996) où il pourrait permettre l’entrée d’ATP
(Shoshan-Barmatz et al., 1996).
Figure 19: Le dialogue calcique entre les mitochondries et le RS.
Il a été constaté qu’au cours de la contraction musculaire, quelques ms après une augmentation de Ca2+ dans le cytoplasme, la concentration calcique augmente dans les mitochondries (Rudolf et al., 2004). Le Ca2+ relâché par le RyR au cours de la contraction (relâchement qui peut être amplifié par l’IP3R activé par CICR), entre par VDAC (Gincel et al., 2001; Rapizzi et al., 2002), et traverse la membrane interne par le Ca2+ uniporter (CaUp) (Hajnoczky et al.,
cours de la contraction, et relâché par l’échangeur Na+-H+/Ca2+, est lui aussi repompé dans le RS par SERCA. Le Ca2+ peut également quitter les mitochondries par le pore de transition de perméabilité, lequel active l’entrée de Ca2+ par SERCA dans le RE (Bowser et al., 2002).
Les mitochondries sont des organites dynamiques, qui évoluent sur le cytosquelette microtubulaire. Pour faciliter l’entrée de Ca2+ dans les mitochondries, il a été proposé qu’elles s’imobilisent suite à une libération de Ca2+ du RS (Yi et al., 2004). Les auteurs émettent l’hypothèse que l’immobilisation des mitochondries pendant la contraction favorise l’entrée de Ca2+ dans la matrice et la libération d’ATP à proximité des site où il est nécessaire (contraction et repompage du Ca2+ dans le RS par SERCA). Toutefois, ces expériences ont été réalisées in vitro dans la lignée de cardiomyocytes H9c2. Or, les mitochondries sont dynamiques dans le muscle au cours du développement, dans le muscle adulte, elles sont localisées à proximité des triades, donc des sites de relâchement de Ca2+, et ne sont plus mobiles car elles sont rattachées au RS (Boncompagni et al., 2009). Il semble donc peu probable que cette dynamique ait lieu dans le muscle adulte in vivo, mais au cours du développement (cf § IIIB). Le lien entre les mitochondries et le RS a été identifié en microscopie électronique mais sa nature est encore inconnue. Il se met en place progressivement au cours du développement musculaire post-natal, parallèlement à l’association des mitochondries avec le RS (Boncompagni et al., 2009) (cf. § III.B).
3. L’entrée capacitive
Le RS a une capacité de stockage de Ca2+ limitée. Ce stock est suceptible d’être épuisé lors de contractions musculaires soutenues. La déplétion des stocks calciques provoque alors une entrée de Ca2+ à travers la membrane plasmique par le mécanisme de l’entrée capacitive
(Parekh & Penner, 1997). L’existence de ce mécanisme a été mise en évidence dans les myotubes de muscles squelettiques en culture (Hopf et al., 1996) et dans les fibres musculaires adultes (Kurebayashi & Ogawa, 2001). Cette entrée capacitive, ou SOCE (Store Operated Calcium Entry), pourrait fournir le Ca2+ nécessaire à la contraction lors d’épisode d’exercice physique intense ou de fatigue musculaire (Ma & Pan, 2003).
Le passage de Ca2+ à travers la membrane plasmique pour l’entrée SOC nécessite des canaux calciques. Parmi les canaux impliqués dans ce mécanisme on peut citer certains TRPC (Transient Receptor Potential Cation Channel) et Orai1. Orai préexiste dans la membrane plasmique sous forme de dimères qui, suite à la déplétion des stocks internes de Ca2+,
s’assemblent en tétramère pour former un canal calcique très séléctif (Mignen et al., 2008; Penna et al.,
2008).
L’activation d’Orai1 est réalisée par STIM1 (Stromal Interaction Molecule 1), une phosphoprotéine de la membrane du RS. STIM1 est le senseur de la déplétion du RS en Ca2+
(Liou et al., 2005). Ainsi lors de l’épuisement du Ca2+ contenu dans le RS, STIM1 s’accumule dans les sites du RS proches des canaux calciques de la membrane plasmique (Wu et al., 2006). STIM1 facilite ainsi la tétramérisation des dimères d’Orai1 pour former un canal calcique (Penna et al., 2008). Orai1 est alors activé, ce qui permet l’entrée de Ca2+ dans la cellule (Luik et al., 2006). Ce calcium est ensuite pompé dans le cytoplasme.