Les sphingolipides

Les sphingolipides regroupent une large gamme de lipides dont la structure générale est proche de celle des glycérolipides, dans la mesure où ces lipides dérivent d’un alcool, portent une tête polaire au sommet d’une queue hydrophobe et qu’ils s’insèrent dans les bicouches lipidiques comme les glycérolipides. Toutefois, la vision générale actuelle est que les glycérolipides composent la matrice des membranes dans laquelle se dispersent les autres constituants membranaires alors que la spécificité des sphingolipides est de structurer des micro-domaines spécialisés, appelés au sens large radeaux (ou rafts) lipidiques. Les sphingolipides sont aussi impliqués dans de nombreux processus cellulaires et physiologiques,

en tant que précurseurs d’un grand nombre de métabolites, de messagers cellulaires, d’acteurs du système immunitaire, etc.

Les sphingolipides dérivent d’une longue chaîne carbonée (sphingoïde ou base sphingoïde) du type de la sphingosine (chaîne aliphatique possédant plusieurs groupements hydroxyls libres, voir Tableau 4). Les céramides sont constituées d’une chaîne sphingoïde liée via une liaison amine, à une chaîne d’acide gras (Tableau 4). Les sphingolipides complexes sont synthétisés à partir des céramides sur lesquelles est greffée une tête polaire.

Structure schématique Classe de lipide

OH OH NH3+ OH OH NH3+ Sphingosine OH OH RONH OH OH RONH

Céramide = sphingosine + amide-acyl (R) P P OH O RONH OH O RONH OH O RONH CH2CH2 NH3+ phosphoéthanolamine céramide P OH O RONH CH2CH2 N+ CH3 CH3 CH3 P P OH O RONH OH O RONH OH O RONH CH2CH2 N+ CH3 CH3 CH3 Phosphocholine céramide (Sphingomyéline) β-galactose OH O RONH CH2OH O β-galactose OH O RONH OH O RONH OH O RONH CH2OH O Monogalactosylcérébroside (MGCB) OH O RONH Glc Gal GalNAc acide sialique NANA Gal OH O RONH OH O RONH OH O RONH OH O RONH Glc Gal GalNAc acide sialique NANA Gal Ganglioside GM1

Tableau 4 : Différentes classes de sphingolipides. La shingosine est la plus abondante des

sphingoïdes qui sont constitués d’une simple chaîne aliphatique portant un groupement amine et des groupements hydroxyls. Les céramides sont les précurseurs de synthèse de l’ensemble des snhigolipides complexes. Elles sont constituées d’une shingosine qui est liée à une chaîne d’acide gras via une liaison amine. La phosphoéthanolamine et la sphingomyéline représentent deux shingolipides complexes types. Le monogalactosylcérébroside est un cérébroside ou monohexosylcérébroside. Cette classe de shingolipide complexe est constituée d’une céramide liée par une liaison O-glycosidique à un hexose. Le GM1 est un ganglioside de la classe des oligoglycocérébrosides.

- Les sphingoïdes

Les sphingoïdes sont des 2-amino-1,3-dihydroxy-alcanes qui, dans de nombreux cas, possèdent une insaturation en trans à la position 4 de leurs chaînes aliphatiques. Ces chaînes sont longues de 18 carbones en général et possèdent 2 groupements hydroxyls libres. Plus de 80 longues chaînes basales ont été découvertes et la sphingosine est l’espèce la plus commune dans les tissus animaux. Contrairement aux autres lipides, les sphingoïdes ont une charge légèrement positive à pH neutre. Ceci ajouté à une solubilité relativement élevée, leur permet spontanément de traverser, voire changer de membrane. La plupart des sphingoïdes ne sont que des éléments constitutifs des sphingolipides plus complexes. La sphingosine-1-phosphate possède cependant des fonctions de signalisation cellulaire (Karlsson, 1970 ; Gomez-Munoz, 1998).

- Les céramides

Les céramides sont des sphingoïdes liés via une liaison amine à une chaîne d’acide gras. Ils sont donc apparentés aux acyl-lipides. Ils représentent les éléments clés de la synthèse de sphingolipides complexes. On les trouve dans pratiquement tous les tissus mais uniquement en quantités extrêmement faibles car ils sont rapidement convertis en sphingolipides plus complexes. En plus d’être les précurseurs d’une grande partie des sphingolipides, les céramides ont un rôle reconnu dans la régulation de l’apoptose par médiation des voies anti-prolifératives ou inhibition des pro-facteurs de survie cellulaire [The Lipid Library].

- La sphingomyéline (SM), un analogue structural de la PC

La SM est une céramide liée à une unité phosphorylcholine. Cette structure en fait l’analogue de la PC. Elle est un composant ubiquitaire des membranes de cellules animales et le plus abondant des sphingolipides. On peut la retrouver à hauteur de 50% dans la composition lipidique de certains tissus. C’est le lipide le plus présent dans la membrane des erythrocytes des animaux ruminants où elle remplace complètement la PC. On la retrouve en plus grande quantité au niveau de la membrane plasmique et plus particulièrement, sur le feuillet externe, à l’instar de son homologue phosphoglycérolipidique. La SM semble ne pas exister chez les plantes et les microorganismes, ce qui pose la question de son origine et de son évolution. La composition des chaînes aliphatiques constituant la partie hydrophobe de la SM peut varier d’un tissu à l’autre mais en général, la sphingosine semble être son constituant sphingoïde le plus rencontré ; ses chaînes d’acides gras sont en général longues et monoinsaturées (Ramstedt et al. 1999). On a longtemps pensé que la SM servait uniquement de substitut à la PC. De nombreux éléments montrent cependant que le métabolisme du cholestérol et de la SM sont co-intégrés. La conséquence est l’accumulation des deux molécules dans les mêmes membranes et dans des sous-domaines membranaires similaires :

les rafts (Ridgway et al. 1999). La SM possède des capacités à créer des liaisons hydrogènes plus fortes que la PC . De plus, les insaturations présentes au niveau des alkyls donnent des propriétés structurales très différentes au niveau de l’architecture membranaire. La SM est aussi un des précurseurs des céramides, des sphingoïdes et d’autres sphingolipides dans un cycle dit « cycle de la sphingomyéline », cycle qui permet la formation d’importants messagers cellulaires et/ou constituants membranaires. (Duan, 2006).

- Les cérébrosides (monohexosylcérébrosides, MHexCB)

Les cérébrosides représentent l’ensemble des monoglycosylcéramides (monohexosylcérébrosides ou MHexCB). Ils on été nommés d’après le lieu de leur

découverte : le cerveau. Le galactosylcéramide Galβ1-1’Cer (monogalactosylcérébroside ou

MGCB) est le plus abondant des cérébrosides dans les cellules animales. Il y est retrouvé dans tous les tissus nerveux où il constitue notamment un élément majeur des oligodendrocytes. Le glucosylcéramide (MGlcCB) est quant à lui, le principal glycosphingolipide des plantes et il est particulièrement abondant dans les tissus photosynthétiques. Il existe de nombreux cérébrosides dont la structure est mal élucidée. Ce sont des galactosylcéramides possédant une longue chaîne cyclique acétale fixée sur l’unité galactosyl (Yachida et al., 1998).

L’ensemble de ces cérébrosides est constitué, de manière générale, par de longues chaînes saturées ou monoeïques possédant un groupement hydroxyl en position 2, à l’exception des plantes résistantes au froid qui ont plus d’unités insaturées (Kojima, 1991). Leurs groupements amide-acyls possèdent également des unités saturées ou avec une seule insaturation (Hirabayashi, 1986).

Une des propriétés des cérébrosides est de posséder une température de fusion plus élevée que la température physiologique du corps des homéothermes, ce qui leur permet d’avoir une structure paracristalline. La présence d’atomes d’hydrogènes polaires sur la partie glycosylée ainsi que les groupements amines et hydroxyles sur les parties aliphatiques donnent aux cérébrosides, le potentiel de créer jusqu’à 8 liaisons hydrogènes (van Meer et Lisman, 2002). Ces deux propriétés structurales permettent aux cérébrosides de se compacter à l’intérieur des membranes et de se lier à un grand nombre de protéines. Localisés en majorité sur le feuillet externe de la membrane plasmique, ces lipides forment avec le cholestérol et la sphingomyéline, les rafts lipidiques. Dans les membranes végétales, on retrouve cette même association de domaines riches en sphingolipides et en stérols végétaux (Lynch et Dunn, 2004).

- Les oligoglycosphingolipides (oligoglycocérébrosides, OGlycoCB) :

Les OGlycoCB représentent la classe lipidique possédant au moins 2 unités glycosyl attachées à une céramide. Des centaines d’OGlycoCB ont été identifiés à ce jour. Leur nature et leur composition sont supposées être caractéristiques des fonctions cellulaires dans

lesquelles ils sont impliqués (Levery, 2005). Les études qui portent sur les OGlycoCB accordent habituellement plus d’attention à la nature du résidu glycosylé qu’à la partie apolaire. Les données relatives à la composition de la partie aliphatique restent de ce fait, peu documentées. Cependant, on sait que cette partie reflète l’origine biosynthétique de la macromolécule et qu’elle ressemble à celle de leur précurseur, le glucosylcéramide. On commence aussi à reconnaître que la partie céramide permet aux OGlycoCB de d’insérer dans le site membranaire qui leur est destiné et de se lier via des liaisons hydrogènes, à certaines protéines spécifiques (Lingwood, 2000). Ces lipides sont trouvés essentiellement au niveau des membranes du réticulum, du Golgi, du tonoplaste et de la membrane plasmique, mais leur fonction précise est un champ de recherche ouvert (Sperling et al., 2004).

Le globoside (GalNAcβ(1→3)Galα(1→4)Galβ(1→4)Glc-Cer) est l’OGlyCB le plus

répandu à la surface des érythrocytes. Il est important dans les mécanismes d’interactions cellulaires et notamment, avec le déterminant des groupes sanguins.

Un digalactosylcéramide (DGCB) a été détecté dans certaines cellules animales et végétales (Sweeley et Siddiqui, 1977) mais son rôle n’a pas été caractérisé.

Le phosphorylinositol céramide est l’un des composants majeurs des membranes végétales. A l’instar du PI, il sert d’ancrage à certaines protéines et de récentes études montrent qu’il existerait 248 protéines différentes dans ce cas chez Arabidopsis (Lynch et Dunn, 2004). Les méthodes conventionnelles d’extraction ne permettent pas de les détecter mais de nouveaux processus montrent que ce lipide serait le plus abondant des sphingolipides chez les plantes et le placeraient au dessus des phospholipides au niveau de l’abondance membranaire (Markham et al., 2006 ; Sperling et Heinz, 2003). Il peut être localisé au sein des rafts lipidiques de Saccharomyces cerevisae où il est particulièrement abondant (Dickson et Lester, 1999).

Les gangliosides regroupent l’ensemble des OGlycoCB portant un résidu acide N- acetylneuraminique (acide sialique) ou acide neuraminique lié sur la chaîne oligosaccharidique du lipide via le groupement hydroxyl en position 2 de l’acide sialique. En conséquence, les gangliosides possèdent une charge nette négative à pH 7. L’un des plus communs est le monosialo-ganglioside ou ganglioside GM1 (Tableau 4). Il existe de nombreux gangliosides et l’essentiel de leur fonction est donné par la nature du résidu polysaccharidique qu’ils portent. Ils représentent 10-12% du contenu lipidique membranaire neuronal et jusqu’à 20-25% du feuillet externe de la membrane plasmique (Levery, 2005). On les retrouve aussi en faible quantité dans l’ensemble des cellules animales, regroupés au niveau des rafts (Sonnino et al., 2007). On pense qu’ils

maintiennent la stabilité architecturale de la myéline. Nombre de pathogènes et toxines bactériennes ont la capacité de se lier aux gangliosides (Kanfer, 1983).

- Sphingolipides et rafts lipidiques

Il est impossible de comprendre l’ensemble des functions des sphingolipides sans appréhender la notion de sous-domaines spécifiques appelés rafts lipidiques. Ces domaines sont le résultat de l’affinité selective entre les sphingolipides (entre autres) et certaines protéines. Les rafts membranaires peuvent donc être définis comme de petits domaines labiles (10-200 nm), hétérogènes, enrichis en sphingolipides et en cholestérol ; ils peuvent former de plus larges plateformes membranaires par des interactions protéines-protéines et protéines- lipides.

Les premières descriptions de tels domaines ont d’abord reposé sur les méthodes de purifications utilisées pour les isoler. En effet, les rafts lipidiques sont resistants aux détergents non-ioniques ; ils sont alors insolubles dans le triton X-100 (1%) froid. On leur a alors donné le nom de « membranes resistantes aux détergents » (Detergent Resistant Membranes, DRM) [Lipid Library].

Les rafts lipidiques possèdent une température de fusion plus élévée que les membranes constituées de glycérophospholipides du fait de la compaction élevée entre les longues chaînes d’acyls saturés des sphingolipides. Cette forte capacité de compaction des sphingolipides et du cholestérol en comparaison des glycérophospsoglycérolipides, engendre une séparation des phases de la membrane. Des régions de la membrane s’enrichissent en sphingolipides et en cholestérol, sur une « mer » fluide, appauvrie en cholestérol et enrichies en lipides contenant des chaînes polyinsaturés et flexibles (Allende et al. 2004).

Les rafts contiennent et stabilisent de nombreuses protéines grâce à des liaisons hydrogènes formées entre les shingolipides et ces protéines. Cette propriété d’association engendre la formation de domaines fonctionnels aux activités biologiques bien particulières. Les rafts sont notamment connus pour leurs rôles dans la transduction de signaux. Ils peuvent, par exemple, maintenir la présence de certaines protéines qui, une fois activées par phosphorylation, peuvent s’extraire du domaine membranaire. C’est notamment le cas lors de la transduction du signal durant l’activation des lymphocytes T (Zeyda et Stulnig, 2006). Certains pathogènes peuvent même activer une shingomyélinase que permet d’incorporer des céramides dans les rafts lipidiques de la membrane plasmique de la cellule visée, ce qui entraîne l’élargissement de ces rafts. Ce phénomène peut faciliter l’internalisation de certaines bactéries, de certains virus et de certains parasites ou encore initier l’apoptose (Riethmuller et al. 2006).

Des rafts enrichis en stérols végétaux et en sphingolipides (glucosylcéramide en particulier) ont été identifiés dans les cellules végétales. Ils semblent permettre le positionnement de protéines dans certaines zones membranaires à l’instar des rafts des cellules animales (Martin et al. 2005).

La composition lipidique régit donc les interactions que peuvent établir les rafts avec une protéine plutôt qu’une autre. Par comparaison de la solubilité membranaire dans différents détergents, il apparaît qu’il pourrait exister plusieurs sous-types de rafts qui permettraient d’ancrer une grande diversité de protéines.