Le cycle endocytique comme modulateur de la présence à la membrane

De nombreuses molécules ont la capacité de cycler constitutivement entre la membrane plasmique et les compartiments endosomaux. Ces protéines peuvent être des récepteurs permettant l’approvisionnement de la cellule en éléments extérieurs comme le fer (récepteur à la transferrine TfR) ou le cholestérol (récepteur à la Low Density Lipoprotein LDLR) (Maxfield and McGraw,

2004). Ces récepteurs ont été extensivement étudiés et ont servi de base à la connaissance des voies d’endocytose et de trafic intracellulaire, établissant les notions d’endocytose médiée par la clathrine et l’anatomie des compartiments endosomaux. D’autres protéines possèdent un cycle d’endocytose/recyclage comme les pompes à protons (H⁺-ATPase) impliquées dans la sécrétion des sucs gastriques dans l’appareil digestif (Okamoto and Forte, 2001), les canaux aquaporines AQP2 qui régulent le passage de l’eau dans les reins (Katsura et al., 1995), ou le transporteur du glucose GLUT4 dans les cellules musculaires et adipeuses (Dugani and Klip, 2005). Ce qu’il est important de souligner, au-delà de la disparité de ces exemples, c’est le modèle général d’un cycle de trafic intracellulaire constitutif permettant à la cellule de moduler le nombre de protéines fonctionnelles à sa surface en réponse à différents modulateurs. Ces modulateurs peuvent être le sécretagogue dans le cas des pompes à proton, la vasopressine dans le cas des aquaporines, l’insuline pour le transporteur du glucose (Royle and Murrell-Lagnado, 2003), ou les ligands dans le cas de récepteurs (Milligan and Bond, 1997). Nous allons présenter deux exemples de cycles régulés présents dans le système nerveux : le cycle des récepteurs AMPA et GABAA qui jouent un rôle dans la modulation de la transmission synaptique, et le cycle du transporteur de la dopamine DAT qui est impliqué dans certains mécanismes addictifs.

Les synapses neuronales comportent, au niveau postsynaptique, des récepteurs aux neurotransmetteurs : AMPA et NMDA, récepteurs du glutamate, au niveau des synapses excitatrices, et GABAA, récepteurs du GABA, au niveau des synapses inhibitrices. Il est apparu qu’outre la modulation de la libération des neurotransmetteurs du côté présynaptique, la densité de récepteurs postsynaptiques pouvait varier, modulant la force de la synapse (Kittler and Moss, 2001). En particulier, la densité membranaire des récepteurs AMPA dépend d’un cycle d’endocytose/recyclage (Luscher et al., 2000). L’endocytose est médiée par la clathrine et la dynamine (Carroll et al., 1999), et le cycle est modulé par la présence des ligands des récepteurs, et donc par l’activité synaptique. Au niveau moléculaire, les mécanismes de régulation de la transmission synaptique et de la mémoire que sont la Long Term Potentiation (LTP) (Park et al., 2004) et la Long Term Depression (LTD) (Linden, 2001) dépendent ainsi du cycle d’endocytose/recyclage constitutif du récepteur AMPA (Malinow and Malenka, 2002). Au niveau des synapses inhibitrices, les récepteurs GABAA présentent également un cycle d’endocytose/recyclage, et le nombre de récepteurs présents à la membrane plasmique module la potentiation de la transmission synaptique inhibitrice (Nusser et al., 1998). La densité de récepteurs GABAA en surface est augmentée par l’insuline et diminuée par le BDNF et les agonistes du récepteur (GABA ou benzodiazépines) (Kittler and Moss, 2001).

Les transporteurs sont des protéines membranaires qui assurent la recapture des neurotransmetteurs extracellulaires, permettant une resensibilisation des synapses. Des transporteurs existent pour tous les neurotransmetteurs classiques (glutamate, GABA, dopamine, norépinéphrine, sérotonine), et plusieurs cyclent constitutivement entre la membrane et les compartiments endosomaux : c’est le cas du GAT, le transporteur du GABA, et du DAT, le transporteur de la dopamine (Melikian, 2004). Le cycle peut être régulé par des facteurs intracellulaires (phosphorylations) ou par le neurotransmetteur transporté. En particulier, le DAT est internalisé par la dopamine et les amphétamines, tandis qu’il est externalisé par la cocaïne (Kahlig et al., 2004). Les variations des niveaux membranaires de DAT sont corrélées aux changements comportementaux induits par de telles drogues psychostimulantes, et la régulation du cycle d’endocytose/recyclage du DAT est donc un point de départ moléculaire crucial pour l’élucidation des effets de ces drogues (Zahniser and Sorkin, 2004).

On a donc pu voir pour ces deux exemples, la régulation des récepteurs synaptiques AMPA et GABAA ainsi que celle du transporteur à la dopamine DAT, l’intérêt d’un cycle constitutif d’endocytose et de recyclage. L’on pourrait objecter que le coût énergétique de l’entretien permanent d’un tel trafic intracellulaire est prohibitif (par exemple d’hydrolyse constante du GTP par les différentes GTPases impliquées). Ce coût est cependant compensé par la possibilité de moduler rapidement, sous l’effet de régulateurs extracellulaires (ligands) ou intracellulaires (phosphorylations), la densité de ces protéines à la membrane et donc la magnitude de leur effets fonctionnels. Un système statique qui devrait mettre en marche des régulations de type transcriptionnelles ne pourrait posséder une telle combinaison d’efficacité, de rapidité et de sensibilité (Royle and Murrell-Lagnado, 2003). La présence d’un tel cycle constitutif pour le récepteur CB1, coûteux en énergie, semble donc témoigner d’un rôle important de ce récepteur dans le fonctionnement cellulaire. Or ce rôle s’exerce dans le cadre d’une cellule très particulière, le neurone : il apparait dès lors nécessaire de vérifier la pertinence physiologique de nos travaux dans le cadre de cellules neuronales. Comme on le verra dans la deuxième partie des résultats, nous avons constaté que ce cycle d’endocytose/recyclage dépendant de l’activité constitutive est présent dans les neurones. Plus encore, les conséquences de ce cycle en termes de localisation cellulaire nous amène à proposer un rôle biologique nouveau pour l’activité constitutive du récepteur CB1 en particulier, et des récepteurs axonaux en général.