Les SERCA sont des calcium-ATPases localisées dans la membrane du réticulum endoplasmique chargées d’accumuler le calcium dans la lumière du RE. Ainsi, les pompes
SERCA représentent le seul mécanisme d’absorption du calcium vers la lumière du réticulum endoplasmique, ce qui explique pourquoi leur fonction est essentielle. En effet, une concentration en calcium optimal dans le réticulum endoplasmique est nécessaire pour permettre la bonne conformation des protéines en cours de synthèse.
Chez l'homme, trois gènes (ATP2A1-3) génèrent des isoformes multiples en raison d’un épissage alternatif lié au développement ou bien au type de tissu (Corvazier et al. 2009). L’isoforme SERCA2 est la plus répandue, elle est codée par le gène ATP2A2 qui est représenté par trois variants d'épissage SERCA2a-c. Alors que SERCA2a et SERCA2c sont principalement exprimés dans le cœur, SERCA2b est présent dans tous les tissus et semble être la principale isoforme des pompes calciques réticulaire. La forme SERCA3, qui après épissage peut donner jusqu’à six isoformes différentes, se trouve souvent co-exprimée avec la forme SERCA2b, mais a généralement une distribution tissulaire plus limitée.
2. Mécanismes moléculaires des pompes SERCAs.
Les pompes SERCA appartiennent à la famille des pompes calciques de type P-type ATPases, leur mécanismes de fonctionnement est décrit dans la figure suivante.
Schéma 10 : représentation du cycle catalique des pompes de type P-type ATPases. Il existe 2 états conformationnels majeurs : E1 et E2. L’hydrolyse d’une molécule d’ATP alimente le transport d’ions calcium contre son gradient de concentration à travers la membrane du réticulum endoplasmique. Shéma d’après (Andersson et al., 2014).
3. Modulateurs endogènes des pompes SERCAs.
Il existe plus d’une centaine de modulateurs endogènes des pompes SERCA (Michelangeli and East, 2011). Notamment, il a été montré que le phospholambane et la sarcolipine pouvaient se fixer aux pompes SERCAs via des domaines intra-membranaires et ainsi inhiber la translocation du calcium (James et al., 1989). La sarcolipine est une protéine de 31 acides aminés exprimée au niveau de la membrane du réticulum endoplasmique ou sarcoplasmique de la cellule musculaire exerçant un effet inhibiteur sur les pompes SERCA en association avec la protéine phospholambane. Le phospholambane est une protéine de 52 acides aminés qui est associée aux SERCAs à l’état déphosphorylé (James et al., 1989). Cette protéine peut être phosphorylée par différentes protéines kinases (PKA, PKC, PKG et la CaMK II). Dans son état déphosphorylé, le phospholambane a une forte affinitée pour les SERCAs et sa liaison va provoquer une baisse de l’entrée de calcium dans le réticulum. Une fois phosphorylé le phospholambane va perdre son affinité avec les SERCAs et le transport du calcium va être de nouveau possible. Des sites de phosphorylation ont été récemment identifiés pour le phospholambane : il s’agit des sites Ser-16 et/ou Thr17. En revanche, pour la sarcolipine les mécanismes restent inconnus (Traaseth et al., 2008). Les pompes SERCAs peuvent également être inactivées via une interaction avec l’agent anti-apoptotique BCL-2. Des études menées in vitro pour l’isoforme SERCA1 ont montré une interaction directe avec la protéine BCL-2 responsable d’une inhibition du flux calcique entrainant une résistance à l’apoptose (Dremina et al., 2012). Cette interaction a été étendue aux SERCA2 qui sont plus largement exprimées et caractérisées. Ces SERCA2 sont en outre modulées par des protéines de type HSP (notamment la HSP70) (Dremina et al., 2012), des protéines chaperonnes ainsi que d’autres protéines régulées par le stress.
4. Les pompes SERCA dans le cancer.
La régulation négative de l'expression de l’isoforme SERCA2b a été montrée pour accompagner la transition du cancer de la prostate vers un phénotype agressif androgéno- indépendant (Vanden Abeele et al. 2002; Prevarskaya, Skryma, et Shuba 2004). Les auteurs suggèrent que cette régulation négative est une réponse adaptative des cellules cancéreuses prostatique androgéno-indépendantes dans le but de contrer l'apoptose induite par un stress calcique réticulaire. Le maintien d’une concentration faible de calcium dans le RE aurait un rôle protecteur (Prevarskaya et al., 2004a; Vanden Abeele et al., 2002). Ainsi, il semble que la réduction de l’expression des pompes SERCA, quels que soient les mécanismes mis en jeu
(influences épigénétiques, mutations, activité de facteur de transcription modifiée), est une caractéristique commune de nombreuses tumeurs malignes et ce processus pourrait participer à la résistance à l'apoptose des cellules tumorales (Korosec et al., 2009).
Dans de nombreux types cellulaires l’expression de SERCA3 est induite de manière spécifique lors de la différenciation cellulaire, tandis que pendant la tumorigenèse l’expression de SERCA3 est diminuée (Arbabian et al., 2011). Une récente étude a mis en évidence une diminution de l’isoforme SERCA3 durant la progression du cancer colorectal. Les auteurs suggèrent que l’expression aberrante de SERCA3 est étroitement liée à la séquence de progression (néoplasie, carcinome puis métastase) des carcinomes colorectaux (Gou et al., 2014). Dans une autre étude impliquant SERCA3 les auteurs montrent que le calcium réticulaire est impliqué dans la différenciation de l'épithélium pulmonaire sain, et que lors de la progression tumorale du cancer du poumon une perturbation de cette homéostasie calcique est observée due aux variations d’expression de SERCA3 (Arbabian et al., 2013). Dans le cas du cancer du sein Papp et collaborateurs, montrent que bien que les cellules épithéliales acineuses mammaires normales expriment SERCA3 abondamment, son expression est fortement diminuée au niveau des lésions épithéliales bénignes bien que très précoces comme à l’état adénome et reste faible dans les carcinomes lobulaires (Papp and Brouland, 2011).
5. Inhibiteurs des pompes SERCAs.
L’inhibition des pompes SERCA entraine une vidange passive des stocks calciques réticulaires par des canaux de fuites exprimés au niveau du réticulum endoplasmique. Cette diminution de la concentration en calcium dans le réticulum endoplasmique est un signal de stress important pour la cellule qui peut aboutir à son entrée en apoptose (Galluzzi et al., 2012a). Cette voie d’induction de l’apoptose est indépendante des voies déjà décrites, à savoir la voie intrinsèque (voie mitochondriale) et la voie extrinsèque (par l’intermédiaire d’un récepteur de mort). Cette voie est décrite dans la section réponse UPR.
a. La Thapsigargine.
Bien qu’il existe plus d’une centaine d’inhibiteurs connus des pompes SERCAs (Michelangeli and East, 2011), la TG est de loin l'inhibiteur le plus largement utilisé. Il a été initialement identifié à partir d'un extrait de la plante Thapsia Garganica qui était capable d’augmenter les
niveaux de calcium cytosolique dans les plaquettes (Ali et al., 1985). Par la suite, il fut montré que cette augmentation de calcium était la conséquence de l'inhibition des pompes ATPase du réticulum endoplasmique (Thastrup et al., 1990). La TG est une lactone sesquiterpène qui peut inhiber les SERCAs dans la gamme de concentration nanomolaire (Wootton and Michelangeli, 2006). A ces faibles concentrations, les SERCA n'inhibent pas d’autres pompes calciques ATP dépendante telles que les PMCAs (Plasma Membrane Ca2+ ATPase) ou les SPCAs (Secretory Pathway Ca2+ ATPase). Il est à noter que la TG inhibe de manière différentielle les isoformes de SERCA. En effet, l’action de la TG est 60 fois plus puissante sur les SERCA1 que sur les SERCA3 (valeurs de Ki de 0,2, 1 et 12 nM pour les isoformes SERCA-1, 2 et 3 respectivement) (Wootton and Michelangeli, 2006). Enfin, il a été montré que la TG stabilise la pompe SERCA dans son état E2 (faible affinité pour le calcium) correspondant à un état irréversible (Wictome et al., 1992).
b. t-BHQ et CPA.
Le 2,5-Di-t-butyl-1,4-benzohydroquinone (t-BHQ) et l'acide indole cyclopiazonique alcaloïde (CPA) sont également largement utilisés afin d’étudier l’homéostasie calcique et le rôle du calcium réticulaire. Le t-BHQ et le CPA sont contrairement à la TG, des inhiteurs réversibles des pompes SERCA avec une plus faible affinité (voir tableau).
SERCA Inhibiteurs IC50
Thapsigargine 0.21–12 nM Cyclopiazonic acid 90–2500 nM
t-BHQ 2–7 μM
c. Saikosaponin-d.
Le saikosaponin-d est l'un des principaux membres de la famille des saponines triterpénoïdes dérivés du Bupleurum falcatum L. de la famille des ombellifères (comme la Thapsigargine), qui est couramment prescrit pour le traitement de maladies inflammatoires et infectieuses. Son composé actif a été rapporté comme ayant des propriétés immuno-modulatrices, anti- inflammatoires, anti-bactériennes, anti-virales et anti-cancéreuses (Lu et al., 2012). Il a récemment été montré que cet inhibiteur des pompes SERCAs était capable d’induire la mort de cellules rendues résistantes à l’apoptose par modification génique ( déficiente en caspases effectrices ou BAX/BAK ) en stimulant la mort autophagique (Mariño et al., 2014; Wong et
al., 2013). La mort par autophagie est un processus qui ne nécessite pas la voie intrinsèque de l’apoptose c'est-à-dire les caspases, agents mitochondriaux tel que cytochrome C. Cette forme de mort cellulaire reste très controversée quand aux acteurs nécessaires à son aboutissement toute fois la communauté scientifique s’accorde sur le fait que si l’inhibition pharmocologique ou l’usage de ARNi dirigés contre des modulateurs essentiels de l’autophagie (ATG5, beclin- 1, AMBRA1 voie section 2) inhibe la mort cellulaire, il s’agit bien de mort autophagique (Galluzzi et al., 2012a).
C. Intérêts thérapeutiques de l’inhibition des pompes calciques de type SERCA par la