ture et de dynamique de la membrane, `a un niveau aussi bien microscopique que macroscopique (Mouritsen, 1998; de Planque & Killian, 2003) et peut affecter certaines fonctions biologiques (Lee, 1998, 2003).
De nombreuses exp´eriences montrent que les changements membranaires induits par m´esap- pariement hydrophobe r´esultent en une d´eformation de la membrane `a proximit´e de l’interface prot´eine-lipides (Bryl & Yoshihara, 2001). Les prot´eines peuvent aussi pr´ef´erer, sur des bases sta- tistiques, ˆetre associ´ees avec des lipides qui correspondent `a leur surface hydrophobe (Fernandes
et al. , 2003). De tels ph´enom`enes peuvent induire la formation de domaines membranaires (Bin-
der et al. , 2003).
Il existe aussi des ph´enom`enes li´es au m´esappariement hydrophobe touchant les prot´eines. De nombreuses donn´ees exp´erimentales montrent une inclinaison et un recourbement de peptides ou de prot´eines pour s’adapter `a une membrane trop fine (Strandberg et al. , 2004; Ozdirekcan
et al. , 2005). Des inclinaisons de mani`ere individuelle d’h´elices formant une prot´eine ont aussi
´et´e observ´ees (Lee, 2003), induisant des changements d’activit´e de la prot´eine.
1.5
Simulation de syst`emes membranaires
La simulation num´erique est utilis´ee pour ´etudier, dans des syst`emes mod`eles, des ph´enom`enes tels que la formation de domaines lipidiques, les changements de structures de prot´eines induits par les lipides, le changement d’organisation lat´erale de membrane induite par les prot´eines ou l’insertion de prot´eines dans les membranes. Elle sert aussi de support `a des hypoth`eses concep- tuelles comme le ph´enom`ene d’adaptation hydrophobe entre lipides et segments transmembra- naires des prot´eines. Plusieurs types d’approches existent pour la mod´elisation de syst`emes membranaires en fonction des ph´enom`enes que l’on souhaite observer (fig. 1.8).
Des mod`eles pr´ecis de membranes de phospholipides pures sont essentiels pour comprendre les principes g´en´eraux de l’organisation membranaire. Des progr`es significatifs dans ce domaine ont eu lieu ces derni`eres ann´ees. Plusieurs ´etudes ont permis de simuler des membranes conte- nant une centaine de lipides pendant plus de 100 ns, permettant de calculer des coefficient de diffusion lat´erale ou d’autres param`etres s’´equilibrant plus rapidement (Anezo et al. , 2003). Des simulations de bicouches lipidiques de diff´erentes tailles ont permis un premier regard sur des ph´enom`enes tels que l’ondulation membranaire (Lindahl & Edholm, 2000). Des simula- tions de dynamique mol´eculaire ont ´egalement ´et´e utilis´ees pour ´etudier des processus `a grande ´echelle comme l’agr´egation de lipides, l’´electroporation, le changement de phase ou la fusion. L’agr´egation de phospholipides positionn´es al´eatoirement en bicouche prend quelques dizaines de nanosecondes (Marrink et al. , 2001), tandis que la formation de petites v´esicules de phospho- lipides a ´et´e observ´ee sur une simulation de 100 ns (de Vries et al. , 2004). La formation de pores sous l’influence d’un champs ´electrique ou d’un stress m´ecanique (Tieleman, 2006) ou des transi- tions de phase de lipides ont aussi pu ˆetre observ´ees (Marrink & Tieleman, 2002). La simulation de membranes mixtes reste difficile en raison de temps d’´equilibration tr`es longs (de Vries et al. , 2004) mais des syst`emes contenant g´en´eralement deux entit´es commencent `a apparaitre (Pandit
et al. , 2003; Levadny & Yamazaki, 2005; Leekumjorn & Sum, 2006). La pr´esence de cholest´erol
Chapitre 1. Syst`emes membranaires
Fig. 1.8: M´ethodes de simulation ordonn´ees en fonction de l’´echelle de temps et de la taille des syst`emes.
de bonnes informations sur ses interactions avec les phospholipides (Hofsass et al. , 2003). La d´etermination de structures tridimentionnelles de prot´eines membranaires est tr`es difficile. Cependant, leur nombre augmente de plus en plus. L’acc`es `a des structures de prot´eines mem- branaires et leur int´erˆet biologique ont fait exploser le nombre de simulations de dynamique mol´eculaire de syst`eme contenant une prot´eine et des lipides. La taille des syst`emes simul´es est g´en´eralement beaucoup plus grande que pour les membranes pures, limitant le temps de simula- tion `a une dizaine de nanosecondes g´en´eralement. Les canaux ioniques repr´esentent un d´efi pour la dynamique mol´eculaire car les interactions ´electrostatiques entre solvant, lipides et prot´eine doivent ˆetre tr`es pr´ecises. Comme dans de nombreuses simulations, la diff´erence entre l’´echelle de temps observable et celle des ph´enom`enes comme l’ouverture des canaux est un probl`eme. La dynamique dirig´ee peut pr´esenter une solution mais deux structures (´etats initial et final) sont n´ecessaires et le chemin explor´e n’est pas forc´ement repr´esentatif d’un chemin “naturel”. Les m´ethodes gros grains semblent ˆetre une voie prometteuse pour l’´etude de ph´enom`ene `a plus grande ´echelle. Elles peuvent ˆetre utilis´ees pour explorer de nombreux processus biolo- giques tels que les interactions prot´eine-prot´eine, lipide-prot´eine ou membrane-membrane. La fonction des prot´eines est fortement influenc´ee par les interactions avec les lipides environnants (Dumas et al. , 1999) et une compr´ehension globale de ce ph´enom`ene n’est possible qu’`a un ni- veau m´esoscopique. Ainsi, pour de nombreuses propri´et´es membranaires, il n’est pas n´ecessaire de prendre en compte explicitement tous les atomes.
1.5. Simulation de syst`emes membranaires partir de lipides dispos´es al´eatoirement (Shelley et al. , 2001), la formation de domaines induits par le cholesterol (Murtola et al. , 2004), l’insertion de peptides dans les membranes (Moore et al. , 2001) ou la d´eformation de peptides en r´eaction, par exemple, au m´esappariement hydrophobe (Bond et al. , 2007).
Chapitre 2
Les Canaux m´ecanosensibles
La m´ecanosensibilit´e est la capacit´e `a traduire un stress m´ecanique en information int´egrable par la cellule. Une grande vari´et´e de prot´eines est dou´ee de cette caract´eristique et r´eagit `a des ph´enom`enes tels que le gradient de pression osmotique, le flux de liquides, les vibrations, la pression ou la r´eorganisation des exo- et endosquelettes. La m´ecanosensibilit´e est une fonction que poss`edent tous les organismes pour lesquels le m´ecanisme semble inchang´e.
2.1
Mise en ´evidence
2.1.1 D´etection
L’existence de canaux m´ecanosensibles a ´et´e ´evoqu´ee apr`es l’observation d’un changement de perm´eabilit´e de la membrane en r´eponse `a l’application d’une pression dans les cellules excitables comme les fibres musculaires (Katz, 1950), les corpuscules de Pacini (Oseki & M, 1965) et les cellules sensorielles audio-vestibulaires (Hudspeth, 1983). La r´eponse au stress m´ecanique ´etant instantan´ee, les chercheurs ont postul´e qu’il n’existait pas de messager secondaire dans l’activation de ces canaux (Corey & Hudspeth, 1979).
En 1984, l’implication de canaux ioniques dans la r´eponse `a un stress m´ecanique est observ´ee pour la premi`ere fois par patch-clamp sur des cellules musculaires d’embryon de poulet (Guharey & Sachs, 1984). Cette technique consiste a enregister, grˆace `a une micropipette, le courant `a travers un canal unique soumis `a diff´erents stimuli (fig. 2.1).
Des canaux m´ecanosensibles ont aussi ´et´e mis en ´evidence dans des cellules eucaryotes sp´ecialis´ees telles que les cellules endoth´eliales, les cellules neuronales, mais aussi dans des cellules non sp´ecialis´ees telles que Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, les protoplastes du tabac, les cellules embryonaires de poisson ou l’archaebact´erie Haloferax volcanii (Sackin, 1995; Hamill & Martinac, 2001).
2.1.2 Identification mol´eculaire
Un grand nombre de canaux m´ecanosensibles (MS) a ´et´e mis en ´evidence et caract´eris´e par des ´etudes ´electrophysiologiques. Mais il est rare que les canaux responsables des activit´es soient identifi´es. Les techniques g´en´eralement utilis´ees pour identifier les canaux sont la purification grˆace `a un ligand sp´ecifique ou, `a partir d’un ph´enotype connu, d’identifier une ´eventuelle mu-
Chapitre 2. Les Canaux m´ecanosensibles
Fig. 2.1: Sch´ema repr´esentant la technique de patch-clamp.
tation sur le canal cibl´e. Dans le premier cas, il est rare de disposer de mol´ecules agissant sur les canaux MS et on ne sait pas si elles agissent sur le canal lui-mˆeme ou sur son environnement. Dans le second cas, la fonction des canaux MS est hypoth´etique et les canaux sont actifs dans des conditions particuli`eres, il est donc difficile de corr´eler un ph´enotype `a l’absence d’un canal MS. N´eanmoins, cette technique a pu ˆetre mise en œuvre dans le cas du canal MS potassique eucaryote TREK-1 (Fink et al. , 1996), du canal SI cationique chez le rat (Suzuki et al. , 1999) ou des canaux MscS (KefA et YggB) chez la bact´erie (Levina et al. , 1999).