Quelles sont les sources de calcium ?

Le calcium (Ca2+) est présent dans les milieux intracellulaire et extracellulaire. Au niveau intracellulaire, il est stocké dans différents organites comme le réticulum endoplasmique, les mitochondries, l’enveloppe nucléaire, les lysosomes ou l’appareil de Golgi. La concentration cytosolique de calcium libre au repos dans la plupart des neurones est d’environ 100 nM. La concentration calcique au niveau du réticulum endoplasmique est d’environ 2 mM (Clapham, 1995) et la concentration extracellulaire est d’environ 1 mM (Simons, 1988).

Ainsi, le gradient électrochimique est donc en faveur d’une entrée de calcium extracellulaire dans la cellule ou d’une libération des stocks calciques. La modulation de la [Ca2+]i à partir de ces deux sources de calcium via divers canaux calciques est détaillée dans les paragraphes suivants et résumée en figure 5.

a. L’entrée de calcium extracellulaire

Les neurones possèdent, au niveau de leur membrane plasmique, une grande diversité de canaux qui permettent une entrée de calcium dans la cellule. En effet, lorsqu’un neurone est activé, les canaux alors ouverts vont permettre l’entrée des ions calcium dans la cellule selon leur gradient électrochimique. Ainsi, la quantité de calcium intracellulaire va être modulée, la cellule va intégrer ce signal et y répondre par différents moyens, comme la transcription de gènes cibles. Dans la plupart des neurones du système nerveux central, il existe deux types principaux de canaux calciques : les canaux calciques voltage-dépendants (CCVD) et les canaux calciques chimio-dépendants (CCCD). De plus, il existe des canaux sensibles à la libération du calcium des stocks calciques internes et à d’autres types de stimulations, développés dans les paragraphes suivants.

• Les CCVD (canaux calciques voltage dépendants)

Les CCVD, aussi appelés CaV ou VOC (voltage operated channels) sont régulés par

le potentiel de membrane (figure 5). Dans la plupart des neurones, les courants calciques peuvent être attribués à différents types de CCVD appelés canaux de types L, N, P/Q, R et T (Tsien et al., 1988 ; Hess, 1990 ; Tsien et al., 1991 ; McCleskey, 1994 ; Herlitze et

al., 2003 ; Catterall et al., 2005). En fonction de leurs caractéristiques

électrophysiologiques, pharmacologiques et moléculaires, il existe différents sous-types de canaux (annexe 1) (Tsien et al., 1988 ; Hess, 1990 ; Tsien et al., 1991 ; McCleskey, 1994 ; Catterall et al., 2005 ; Lory et al., 2006).

Les différents types de CCVD possèdent des fonctions distinctes au sein des neurones, notamment du fait de leur localisation. Les canaux de type L (les CaV1), les canaux de

type N, P/Q et R (les CaV2) et les canaux de type T (les CaV3) sont localisés au niveau

dendritique et au niveau du corps cellulaire. De plus, les CaV2 sont localisés au niveau

pré-synaptique alors que les CaV1 sont localisés au niveau pré et post-synaptique. Les

canaux de type N et P/Q sont impliqués dans le contrôle de la libération des neurotransmetteurs (Uchitel et al., 1992 ; Turner et al., 1992 ; Takahashi et Momiyama, 1993), alors que les CaV1 sont impliqués dans la modulation de la libération des

neurotransmetteurs et dans la signalisation calcique post-synaptique menant à la transcription de gènes (West et al., 2001 ; Gomez-Ospina et al., 2006 ; Calin-Jageman et Lee, 2008). En outre, il est intéressant de noter que les CaV1 et les CaV2 sont impliqués

dans les processus mnésiques et dans la plasticité synaptique (Dietrich et al., 2003 ; Moosmang et al., 2005 ; McKinney et al., 2008 ; Takahashi et Niimi, 2009). Les CaV3

sont quant à eux impliqués dans le sommeil et l’épilepsie (Nelson et al., 2006 ; Lee et Shin, 2007). Les CaV2 et les CaV3 sont également impliqués dans la douleur (Nelson et

al., 2006 ; Swayne et Bourinet, 2008).

Au niveau post-synaptique, l’activation des CaV est due à une dépolarisation

membranaire résultant de l’entrée de calcium au travers de récepteurs activés par la fixation d’un ligand. Ces récepteurs sont des canaux chimio-dépendants.

• Les canaux calciques chimio-dépendant (CCCD) ou ROC (« receptor operated channel »)

Au niveau des synapses, l’arrivée d’un potentiel d’action entraîne la libération, par l’élément pré-synaptique, de neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Ces neurotransmetteurs se fixeront ensuite sur des récepteurs spécifiques au niveau post- synaptique. Certains neurotransmetteurs sont capables d’entraîner une entrée de calcium dans le neurone en activant le plus souvent des récepteurs appelés ROC, jouant le rôle de canaux dont la perméabilité n’est pas sélective au calcium (figure 5). Par exemple, le glutamate, principal neurotransmetteur excitateur chez les mammifères, peut activer les récepteurs NMDA ou encore les récepteurs AMPA/kaïnate. Le récepteur NMDA est un récepteur chimio-dépendant mais aussi voltage-dépendant. En effet, même s’il s’active suite à la fixation du glutamate, il nécessite toutefois une dépolarisation membranaire conjointe afin de lever le blocage d’un « bouchon » de magnésium et permettre l’entrée de calcium et de sodium. Les récepteurs nicotiniques ou certains récepteurs purinergiques peuvent aussi laisser entrer du calcium (Fischer et Krugel, 2007 ; Shen et Yakel, 2009). Par ailleurs, les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) présents au niveau de la membrane plasmique (figure 5) tels que les récepteurs métabotropiques, permettent

indirectement l’augmentation du niveau de calcium intracellulaire (voir partie sur les

récepteurs à l’IP3).

• Les canaux SOC, CRAC et SMOC

Ces différents types de canaux ubiquitaires (figure 5), présents au niveau de cellules excitables et non excitables (Parekh et Putney, 2005), permettent l’entrée capacitive de calcium dans la cellule. Cette entrée de calcium correspond à un courant calcique provenant du milieu extracellulaire après déplétion du pool de calcium du réticulum endoplasmique. Leur activité est déclenchée par la « vidange » des stocks intracellulaires de calcium, d’où le nom de SOCs (store operated channels). L’entrée de calcium via les SOCs semble être impliquée dans la régulation de différents processus cellulaires, tels que l’exocytose des vésicules, la régulation de l’activité enzymatique, les oscillations calciques, l’apoptose, la transcription de gènes et le remplissage des stocks calciques (pour revue, Parekh et Putney, 2005). Cependant, certaines de ces fonctions demeurent encore spéculatives.

Un des SOCs les plus étudiés est le canal CRAC (calcium release-activated calcium) qui est bien caractérisé au niveau électrophysiologique (pour revues, Parekh, 2007 ; Vig et Kinet, 2007). Depuis la première description des SOCs (Putney, 1986), l’idée prépondérante de leur fonctionnement est en faveur d’un couplage entre la membrane plasmique et le réticulum endoplasmique par des interactions protéiques (Berridge, 1995 ; Patterson et al., 1999). La fonction des protéines STIM et Orai, récemment découvertes, conforte cette prédiction (Deng et al., 2009). STIM est une protéine présente au niveau de la lumière du réticulum endoplasmique (Liou et al., 2005 ; Roos et al., 2005 ; Cahalan, 2009) et Orai, un canal calcique présent au niveau de la membrane plasmique (Prakriya et

al., 2006 ; Vig et al., 2006 ; Yeromin et al., 2006). Après une déplétion des stocks du

réticulum, STIM est transloqué à la membrane du réticulum endoplasmique au niveau de jonctions proches de la membrane plasmique. A ce niveau, il va pouvoir activer Orai, permettant ainsi l’entrée de calcium dans le cytoplasme (Cahalan, 2009 ; Deng et al., 2009).

D’autres canaux membranaires proches de CRAC, les ARCs (arachidonate-activated

channels) ont été décrits comme permettant une entrée de calcium non capacitive

(Shuttleworth et al. 1996, 2004). Les ARCs font partie d’une autre classe de canaux appelés SMOCs (second messenger operated channels).

• Les canaux TRP (« transient receptor potential »)

Il existe une grande variété de canaux TRP (figure 5, annexe 2) présents au sein de divers types cellulaires, dont la plupart sont perméables au calcium et au sodium de façon

non sélective mais avec des perméabilités différentes. Ils peuvent être activés par différents stimuli intra ou extracellulaires. Par exemple, ils peuvent être activés par le diacylglycérol (DAG), par le facteur de croissance BDNF, par la déplétion des stocks calciques et par translocation du canal à la membrane plasmique, résultant de l’activation d’un récepteur par un facteur de croissance de l’épiderme (Li et al., 1999 ; Putney, 2005 ; Venkatachalam et Montell, 2007 ; Salido et al., 2008). Certains TRP pourraient également être activés par la stimulation mécanique (Kiselyov et Patterson, 2009).

Depuis quelques années, un rapprochement a été fait entre des TRP et les canaux de types SOCs et CRAC (Ambudkar et al., 2006, 2007 ; Parekh et Putney, 2005), ou bien SMOC (Bolotina et Csutora, 2005). Il est désormais évident que la « vidange » des stocks calciques intracellulaires est à l’origine de la modulation de nombreux TRP (Putney, 2005). Certains possèdent un motif CIRB (calmoduline/IP3 binding domain) (Tang et al.,

2001), des domaines de liaison aux protéines homer, qui interagissent notamment avec les récepteurs IP3 et RyR présents au niveau du réticulum endoplasmique (Salanova et

al., 2002 ; Ward et al., 2004). Enfin, certains canaux TRP, les TRPC, pourraient être

activés par STIM suite à la déplétion des stocks du réticulum comme c’est le cas pour le canal Orai (Cahalan, 2009).

Chez les mammifères, la localisation de l’expression des canaux TRPC1 et TRPC5 suggère un rôle de ces canaux dans la plasticité neuronale, l’apprentissage et la mémoire (von Bohlen und Halbach et al., 2005).

Figure 5. Schéma représentant la modulation de la [Ca2+]i par l’activation de différents types de récepteurs présents au niveau de la membrane plasmique, de la membrane du réticulum endoplasmique (RE) et au niveau de la mitochondrie. Les canaux calciques présents au niveau de la

membrane plasmique sont les canaux calciques voltage-dépendants (ou Voltage Operated Channel, VOC), les SMOC (second messenger operated channel), les SOCs (store operated channel), Orai activé par interaction avec STIM présent au niveau du RE, les canaux TRP (transient receptor potentiel) et les ROC (receptor operated channel). Les canaux calciques présents au niveau du réticulum endoplasmique sont les récepteurs à la ryanodine (RyR) et les récepteurs à l’inositol tri-phosphate (IP3R). Suite à

l’activation d’un récepteur couplé aux protéines G, la phospholipase C (PLC) va être activée à son tour par une des protéines G. La PLC activée va transformer le phosphatidylinositol 4,5 biphosphate (PIP2) en IP3

et diacylglycérol (DAG). L’IP3 va se fixer sur les IP3R et ainsi permettre la sortie de calcium du réticulum.

De plus, ce calcium va à son tour activer les RyR et permettre une sortie plus importante de calcium, phénomène appelé « calcium-induced calcium release » (CICR). L’augmentation de la [Ca2+]i par ces différentes sources peut entraîner l’entrée de calcium dans le noyau et ainsi activer la transcription de gènes. La régulation de l’homéostasie calcique peut se faire grâce aux calcium-ATPases présentes au niveau de la membrane plasmique, les PCMA (plasmic membrane calcium ATPases), aux échangeurs Na+/Ca2+ (Na+/Ca2+ exchanger, NCX) présents au niveau de la membrane plasmique, aux pompes SERCA

(sarco-endoplasmic reticulum calcium-ATPases) présentes au niveau de la membrane du réticulum endoplasmique et aux uniports mitochondriaux, ainsi qu’aux échangeurs antiports mitochondriaux.

b. La libération de calcium à partir des stocks intracellulaires

La membrane plasmique interagit donc avec le milieu extracellulaire par l’intermédiaire de différents canaux et notamment des canaux calciques permettant la modulation du calcium intracellulaire. La membrane plasmique est aussi le siège d’un système complexe d’interactions réciproques avec les différents organites intracellulaires qui stockent le calcium. Ces interactions permettent l’élaboration de signaux calciques complexes, nécessaires pour la régulation des différentes fonctions cellulaires. Le calcium provenant des stocks internes (réticulum endoplasmique, mitochondries, enveloppe nucléaire...) joue donc un rôle très important dans les fonctions cellulaires. Nous détaillerons dans les parties suivantes le rôle du réticulum endoplasmique, des mitochondries et de l’enveloppe nucléaire dans la modulation du calcium intracellulaire et notamment au niveau des neurones.

• Le réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique représente la réserve majeure de calcium cellulaire sous la forme d’un réseau qui s’étend dans toutes les différentes parties du neurone (figure 5,

figure 6). De plus, le réticulum endoplasmique reçoit des signaux internes à la cellule,

notamment lors des interactions avec des signaux de la membrane plasmique, il les intègre, et produit des signaux calciques notamment grâce aux IP3R et aux RyR. Ces

particularités ont notamment permis de développer le concept de « neurone dans le neurone » par Berridge en 1998 (figure 6). Le calcium peut donc être libéré localement, aussi bien au niveau somatique qu’au niveau synaptique, ce qui permet de moduler des processus neuronaux locaux comme l’excitabilité neuronale, l’exocytose au niveau pré- synaptique, la plasticité synaptique et la régulation de l’expression des gènes (Berridge, 1998, 2002). Au niveau de la lumière du réticulum se trouvent différentes CaBPs (calcium-binding proteins) capables de séquestrer le calcium, comme la calréticuline ou la calséquestrine. Par ailleurs, le stockage du calcium dans le réticulum se fait grâce aux pompes SERCA (sarco-endoplasmic reticulum calcium-ATPases), en utilisant de l’ATP.

Figure 6. Système membranaire binaire du signal calcique par la membrane plasmique et le réticulum endoplasmique. Le réticulum endoplasmique peut être considéré comme un « neurone dans le neurone », du fait qu’il possède un panel important de caractéristiques (citées dans le tableau) normalement associées à la membrane plasmique (adaptée de Berridge, 1998).

La libération du calcium par le réticulum endoplasmique peut se faire grâce aux récepteurs à l’IP3 et à la ryanodine dont nous allons développer les mécanismes dans les

paragraphes suivants.

Les récepteurs à l’IP3 (IP3R)

Suite à l’activation d’un récepteur couplé aux protéines G par différents signaux extracellulaires, la protéine G (notamment de type Gq) active la phospholipase C (PLC) induisant ainsi la synthèse d’IP3 et de DAG à partir d’un lipide membranaire le

phosphatidylinositol 4,5 biphosphate (PIP2) (figure 5). L’IP3 produit peut alors activer le

IP3R situé sur le réticulum endoplasmique. Dans ce cas, l’ouverture du IP3R se produit

par le biais du calcium en tant que co-agoniste (Foskett et al., 2007 ; Ryglewski et al., 2007). Les IP3R sembleraient être également activables avec des CaBPs sans IP3 (Kasri et

pourrait aussi réguler l’ouverture des IP3R (Bezprozvanny et Ehrlich, 1994 ; Thrower et

al., 2000).

Les récepteurs à la ryanodine (RyR)

Le second type de récepteur présent au niveau du réticulum est le récepteur sensible à la ryanodine (alcaloïde d’origine végétale) dont il existe trois isoformes (pour revue, Fill et Copello, 2002 ; Rossi et Sorrentino, 2002) (figure 5). Les RyR sont sensibles aux variations de calcium cytosolique et aux variations de la concentration calcique du réticulum, tout comme les IP3R (Sitsapesan et Williams, 1997 ; Ching et al., 2000 ; Beard

et al., 2002). Au niveau cytosolique, les RyRs sont sensibles de façon différente à la

concentration de calcium permettant leur ouverture (Meissner, 1994) ou leur inhibition (Gyorke et Fill, 1993 ; Fill et al., 2000). La régulation de ce récepteur est différente de celle des IP3R. Tout d’abord, le RyR est sensible à la ryanodine qui va permettre

l’ouverture du canal sur une longue durée à des concentrations de 1 à quelques dizaines de micromolaires (Buck et al., 1992). Néanmoins, pour des concentrations de 100 à plusieurs micromolaires, la ryanodine a un effet inhibiteur sur l’ouverture du canal RyR (Pessah et Zimanyi, 1991). Le RyR peut être aussi modulé par l’ADP ribose cyclique, un second messager produit par des ADP ribosyl cyclases.

• Le réticulum endoplasmique et la génération de signaux calciques complexes

Le réticulum endoplasmique est une importante réserve de calcium de laquelle vont dépendre de nombreuses fonctions cellulaires notamment au niveau des neurones dont nous allons détailler quelques caractéristiques. Les IP3R et les RyR possèdent des

propriétés communes comme leur sensibilité au calcium qui va permettre leur modulation positive ou négative. Le calcium peut donc moduler sa propre libération, un phénomène appelé « calcium-induced calcium release » (CICR) (figure 5). Ce phénomène, présent dans tous les types cellulaires, peut induire la libération de calcium de proche en proche formant ainsi des vagues calciques se propageant par un mécanisme « régénératif » le long du réticulum endoplasmique. Cette caractéristique ressemble à la propriété d’un neurone qui est de transmettre une information grâce à la régénération du potentiel d’action, d’où le concept émis par Berridge en 1998 de « neurone dans le neurone ».

Les propriétés du réticulum endoplasmique, permettant la régulation du calcium intracellulaire, associées à celles des canaux calciques de la membrane plasmique, permettent la génération de signaux cellulaires cytoplasmiques codés en amplitude, durée et espace appelés « oscillations calciques » (Berridge et Galione, 1988 ; Tsien et Tsien, 1990) . Les oscillations de la [Ca2+]i peuvent être un avantage pour les voies de transduction, comme par exemple pour prévenir la désensibilisation ou augmenter la

spécificité d’une voie de signalisation (Berridge et Galione, 1988 ; Tsien et Tsien, 1990 ; Fewtrell, 1993 ; Thomas et al., 1996). De plus, les vagues calciques jouent un rôle important pendant le développement du système nerveux et pendant la vie adulte, notamment dans la motilité, la croissance axonique et la synaptogenèse (Bonhoeffer et Yuste, 2002 ; Spitzer, 2002 ; Zheng et Poo, 2007).

• Les mitochondries

Les mitochondries sont de petits organites répartis en grande quantité dans les différents types cellulaires (figure 5). Leur rôle physiologique est primordial, puisque c'est dans les mitochondries que l'énergie fournie par les molécules organiques est récupérée puis stockée sous forme d'ATP. Elles sont aussi capables de stocker le calcium et ainsi d’avoir, au repos, la même concentration en calcium que le cytosol. En revanche, en période d’activité cellulaire, la concentration peut atteindre 50 à 100 µM en captant le calcium cytosolique (Arnaudeau et al., 2001). L’augmentation de la concentration calcique dans les mitochondries est impliquée dans les processus de production d’ATP, mais aussi dans la régulation de l’apoptose. Les mitochondries vont aussi interagir avec les autres organites pour l’élaboration du profil spatio-temporel du signal calcique (Rizzuto et al., 1998, 2004).

Les mitochondries échangent du calcium avec le cytosol grâce à un uniport activé par le potentiel de membrane mitochondriale lui permettant de faire entrer du calcium. L’uniport a une faible affinité pour le calcium (Chad et Eckert, 1984) lui confèrant ainsi un pouvoir tampon pour des augmentations importantes de calcium (Villalobos et al., 2002), dans des micro-domaines précis, proches des IP3R, supprimant ainsi le feed-back

du CICR (Rizzuto et Pozzan, 2006) ou proche de la membrane plasmique pour y réguler les canaux calciques présents (Malli et al., 2003a, b).

La mitochondrie peut aussi restituer dans le cytosol le calcium capté par l’intermédiaire d’un antiport 3Na+/1Ca2+ et d’un antiport H+/Ca2+ (Bernardi, 1999; Rizzuto et Pozzan, 2006). Avec ce système et notamment grâce aux échangeurs 3Na+/1Ca2+, les mitochondries pourraient permettre le remplissage des stocks du réticulum endoplasmique en se plaçant à proximité des pompes SERCA du réticulum endoplasmique (Arnaudeau et al., 2001 ; Malli et al., 2005).

De plus, la modulation du calcium peut influencer certaines fonctions des mitochondries impliquées dans les processus mnésiques comme la polarité neuronale et la croissance axonique, ainsi que certaines formes de plasticité synaptique (pour revue, Mattson, 2007).

• L’enveloppe nucléaire

L’enveloppe nucléaire est composée d’une membrane interne et externe avec des pores permettant une bonne régulation de la communication entre le cytosol et le noyau. Elle délimite un espace particulièrement sensible aux variations de la concentration calcique. En effet, dans le noyau, siège de la transcription, la concentration calcique doit être finement régulée car l’activation de nombreux facteurs de régulation de l’expression de gènes est au moins en partie contrôlée, de façon directe ou indirecte, par des variations de la concentration calcique nucléaire (Chetkovich et al., 1991 ; Dolmetsch et al., 2001; Hardingham et al., 2001).

L’enveloppe nucléaire se situe dans le prolongement direct du réticulum endoplasmique et est donc en continuité au niveau de la lumière. Cette lumière possède également du calcium et pourrait constituer une réserve calcique nucléoplasmique. En effet, la membrane externe possède des pompes SERCA pour stocker du calcium dans cet espace (Nicotera et al., 1989). Par ailleurs, des IP3R et des RyR ont été identifiés au

niveau de la membrane interne (Humbert et al., 1996 ; Marius et al., 2006) et le noyau peut aussi produire de l’IP3 de façon indépendante par rapport au cytoplasme (Rodrigues

et al., 2009). Ainsi, le calcium nucléaire pourrait varier de façon indépendante par rapport

au cytoplasme. En effet, certaines études indiquent que le calcium nucléaire pourrait augmenter par une entrée de calcium cytosolique au travers de pores nucléaires (Shirakawa et Miyasaki, 1996 ; Badminton et al., 1996 ; Rodrigues et al., 2009). Ces deux théories potentielles se confrontent et pourraient tout aussi bien être complémentaires ou dépendantes du type cellulaire.

Par ailleurs, une étude récente a montré que le calcium nucléaire était requis pour la consolidation d’une information à long terme mais pas à court terme (Limbäck-Stokin et

al., 2004).