Le couplage excitation-contraction (CEC) représente l’ensemble des phénomènes par lequel l’excitation électrique du cardiomyocyte induit une contraction musculaire (Bers,
2002). Ce phénomène de CEC s’effectue grâce à une organisation subcellulaire appelée dyade (Scriven et al., 2013). Chaque dyade est formée de la juxtaposition de deux structures
membranaires : les tubules transverses (tubule T) et les citernes terminales du réticulum sarcoplasmique (RS) jonctionnel (Figure 29).
SERCA RyR
Canaux calciques de type L
Réticulum sarcoplasmique Echangeur NCX
Sarcolemme
Pompe Na+/K+
Figure 29. Représentation schématique d'une dyade. La dyade est formée de zones de rapprochement étroites
entre les tubules T et le RS. Les canaux calciques de type L ou DHPRs, l’échangeur NCX ainsi que les pompes Na+/K+ sont localisés préférentiellement au sein des tubules T. Les récepteurs à la ryanodine (RyRs) font face aux DHPRs favorisant le CEC. Adapté de (Polakova and Sobie, 2013).
a) Les tubules transverses
Les tubules T correspondent à des invaginations transversales de la membrane cellulaire ou sarcolemme des cardiomyocytes. Ils sont en majorité présents au niveau de la membrane des myocytes ventriculaires des mammifères où ils représentent environ 30% de la surface membranaire avec un diamètre compris entre 100 et 300 nm (Brette and Orchard,
2003). Ils sont peu représentés au niveau des cardiomyocytes auriculaires où ils occupent
uniquement 15% de la surface membranaire. Dans les cellules cardiaques des oreillettes, les tubules T sont préférentiellement présents chez les grands mammifères et l’Homme (Richards
et al., 2011). Ils sont absents au niveau des cellules sinusales et cardionectrices (Ayettey and Navaratnam, 1978).
La répartition des tubules T est régulière au sein du sarcolemme, formant ainsi un réseau continu et ramifié au sein du myocyte. Ils sont localisés au niveau des stries Z des sarcomères. Inexistant à la naissance, les tubules T apparaissent au cours du développement et nécessitent la présence de différents éléments tels que le cholestérol et des protéines spécifiques comme les cavéolines de type 3 et les amphiphysines de type 2 (Carozzi et al., 2000). Chez le rat les tubules T sont absents à la naissance et apparaissent uniquement à partir du 20ème jour postnatal (Ziman et al., 2010).
Il s’agit d’une structure labile qui peut disparaître lors de pathologies cardiaques (cardiomyopathie dilatée, insuffisance cardiaque) altérant ainsi le phénomène de CEC
(Balijepalli et al., 2003). On peut observer également entre les tubules T, la présence de
saccules ou tubules longitudinaux qui servent de réservoirs pour les ions Ca2+ intracellulaires
(Soeller and Cannell, 1999). Les proportions de ces différentes structures dans les
cardiomyocytes ventriculaires de rat sont de 60% pour les tubules T et de 40% pour les tubules longitudinaux.
Le rôle des tubules T permet d’assurer le rapprochement physique des DHPRs et des RyRs afin d’assurer la conduction de l’onde de dépolarisation du PA à l’intérieur de la cellule participant au CEC. Pour assurer cette fonction, plusieurs canaux ioniques, échangeurs et transporteurs sont localisés au niveau des tubules T (Figure 29). En effet, on retrouve principalement les canaux responsables du courant ICaL ou DHPRs, les échangeurs NCX ainsi
que les pompes Na+/K+. La distribution membranaire des courants ioniques au sein des tubules T est de 80% pour le courant ICaL, 63 % pour le courant INCX, et 59% pour le courant
niveau des tubules T, la présence d’isoformes neuronaux des canaux sodiques (Nav1.1,
Nav1.3, Nav1.6) (Brette and Orchard, 2006; Maier et al., 2002). Des études expérimentales
sur des myocytes ventriculaires de rat ont révélé la présence de courants Ito, IK et IK1 en faible
proportion au sein des tubules T (Komukai et al., 2002).
b) Le réticulum sarcoplasmique
Le RS est un organite intracellulaire spécialisé dans le stockage et la libération du calcium responsable de la contraction du sarcomère. Ce réseau de membrane intracellulaire intercalé entre les myofibrilles cardiaques est composé de deux régions : le RS longitudinal et le RS jonctionnel. Le RS jonctionnel correspond aux extrémités du réseau qui forment des renflements nommés citernes terminales, apposées à la membrane des tubules T. Il permet le stockage et la libération de Ca2+ grâce à des récepteurs spécifiques, les récepteurs à la ryanodine (RyRs, Ryanodine receptor). Le RS longitudinal est un réseau fin disposé entre les sarcomères parallèlement aux cardiomyocytes reliant les citernes terminales. Il est spécialisé dans la recapture du Ca2+ grâce à une pompe Ca2+ATPasique (SERCA, Sarcoplasmic
reticulum calcium ATPase).
Les RyRs sont des canaux calciques dont le nom provient de leur capacité à lier la ryanodine qui est un alcaloïde végétal extrait de Ryana Speciosa. Il s’agit d’une protéine de haut poids moléculaire (˃500 kDa), homotétramérique ancrée dans la membrane du RS jonctionnel.
Les RyRs font partie d’une famille de trois isoformes RyR1, 2 et 3 codés par des gènes distincts et exprimés dans des tissus différents. RyR1 est présent dans le muscle squelettique et peut être retrouvé dans le muscle cardiaque avec un faible niveau d’expression (Coronado
et al., 1994; Neylon et al., 1995). RyR2 est la forme prédominante dans le muscle cardiaque.
On le retrouve également dans le muscle lisse et dans des régions du cerveau (cervelet, cortex cerébral) (Furuichi et al., 1994). RyR3 est exprimé à faible niveau dans divers tissus comme le muscle squelettique en développement, le cerveau, certaines CMLs, et cellules non musculaire (Tarroni et al., 1997). L’isoforme RyR3 est présent au niveau des cellules de Purkinje (Stuyvers et al., 2005).
Au sein de la dyade, les RyR2 ne présentent pas de couplage mécanique direct avec les DHPRs, ils sont néanmoins très proches les uns des autres (séparation de 12 nm environ) afin d’optimiser la libération de Ca2+
sein du RS jonctionnel avec 1 DHPR pour 5-10 RyR2 suivant l’espèce (Bers and Stiffel,
1993; Sun et al., 1995).
Les RyR2 possèdent une extrémité C-terminale cytoplasmique formant le pore du canal et une extrémité N-terminale également cytoplasmique assurant la liaison avec des facteurs régulateurs (Fill and Copello, 2002). Ces facteurs régulateurs sont la calstabine 2 ou le FKBP12.6, la calmoduline, des proteines kinases ainsi que des phosphatases (Figure 30). La calstabine 2 ou le FKBP12.6 est une protéine qui se fixe sur chaque monomère de la proteine RyR2 permettant de maintenir le canal dans son état fermé (Brillantes et al., 1994). A l’inverse, la dissociation du complexe FKBP12.6-RyR2 augmente la probabilité d’ouverture du canal.
La calmoduline (CaM) est une protéine qui possède quatre domaines « EF hands » de liaison du Ca2+.
L’activité de RyR2 est dépendante également de l’état de phosphorylation du canal et de ses partenaires régulateurs grâce à l’action de protéines kinases et de phosphatases. Les protéines kinases telles que la protéine kinase A (PKA) et la protéine kinase II dépendante de la calmoduline (CamKII) sont capables de phosphoryler RyR2. Dans le cas de la phophorylation de RyR2 par la PKA, la protéine FKBP12.6 se détache de RyR2 favorisant ainsi l’activation du canal. En condition pathologique, par exemple lors de l’insuffisance cardiaque, un processus d’hyperphosphorylation de RyR2 par la PKA est observé (Marx et al., 2000). Le canal peut être phosphorylé par la CamKII mais son effet activateur semble moins important que celui de la PKA (Witcher et al., 1991). Cette phosphorylation est indépendante de l’interaction FKBP12.6-RyR2.
Les phosphatases dont le rôle est de déphosphoryler le canal RyR2, sont de deux types : la phosphatase 1 (PP1) et la phosphatase 2A (PP2A).
Le calcium est un facteur important, régulant l’ouverture et la fermeture de RyR2
(Rousseau and Meissner, 1989). Le canal RyR2 possède deux sites de fixations cytosoliques
pour le Ca2+. Le premier site de fixation est un site à haute affinité pour le Ca2+ (Ca- Activation). Il est responsable de l’activation et de l’ouverture du canal pour de faibles concentrations en Ca2+ cytosolique (à partir de 100 nM), avec une activité maximale pour les concentrations de 1 à 10 µM. Le second site de fixation possède une plus faible affinité pour le Ca2+ (Ca-Inactivation), et il provoque l’inactivation du canal pour des concentrations en Ca2+ cytosolique élevées de l’ordre de 1 à 10 mM (Copello et al., 1997) (Figure 30).
Le canal RyR2 est sensible à la concentration de Ca2+ luminale du RS (Ching et al., 2000). En effet, on observe une inactivation du canal lorsque la concentration en Ca2+ luminale du RS atteint une valeur seuil basse. Ce mécanisme permet de maintenir le canal RyR2 inactif en diastole laissant le temps au stock calcique du RS de se reconstituer (1 mM de Ca2+). A l’inverse, lorsque le RS est surchargé en Ca2+
, le canal RyR2 va jouer le rôle de soupape calcique en laissant échapper du Ca2+ vers le cytosol.
Ca- Activation
Ca- Inactivation
Figure 30. Domaines fonctionnels de RyR2. La protéine RyR2 est une protéine homotétramérique. Chaque
monomère possède des extrémités C-terminale et N-terminale cytoplasmiques. L’extrémité C-terminale constitue le pore du canal et l’extrémité N-terminale permet la liaison aux facteurs régulateurs de l’activité de RyR2. La liaison des phosphatases PP1 et PP2A à RyR2 s’effectue par l’intermédiaire de la spinophilin et de la PR130 (en jaune). La PKA se lie à l’extrémité N-terminale de RyR2 grâce à la protéine mAKAP. Les protéines CaM et FKBP12.6 sont également représentées. Les résidus sérine cibles de la PKA (résidu 2808) et CamKII (résidu 2814) sont représentés par le signe P en jaune. Les sites de haute (Ca-Activation) et de faible (Ca-Inactivation) affinité de fixation du Ca2+ sont représentés en rouge sur la protéine RyR2. Adapté du site internet
http://www.cellsignallingbiology.org.
La SERCA est une pompe calcique ATPasique de 100 kDa existant sous douze isoformes. SERCA2a est le principal isoforme exprimé dans le muscle cardiaque. Cette pompe est localisée sur la membrane du RS longitudinal. Elle assure le transport actif de deux
ions Ca2+ du cytosol vers la lumière du RS en hydrolysant une molécule d’ATP en ADP et Pi. L’activité de cette pompe est régulée par une protéine associée, le phospholamban (PLB). Lorsque le PLB est déphosphorylé, il se lie au domaine cytoplasmique de SERCA et inhibe ainsi l’activité ATPasique de la pompe (Colyer, 1998). La phosphorylation du PLB par la PKA et la CamKII permet de lever l’inhibition du PLB sur la pompe SERCA2a.