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Comment s’ouvrent les canaux ioniques des cellules ?

Les canaux ioniques forment des pores qui assurent la transmission de signaux extérieurs vers l’intérieur des cellules. Leur structure est connue mais le mécanisme qui conduit à l’ouverture du pore reste encore mal compris. Des chercheurs du laboratoire de Conception et application de molécules bioactives (CNRS/Université de Strasbourg) en collaboration avec une équipe de l’ISIS (CNRS/Université de Strasbourg) viennent de proposer un nouveau modèle moléculaire qui décrit le mouvement de ces canaux ioniques. Ces travaux font l’objet d’un article dans la revue eLife.

Les membres de la famille des récepteurs P2X sont des canaux ioniques qui forment des pores dans la membrane cellulaire. Ils assurent la transmission des signaux de l'extérieur vers l'intérieur des cellules. Ils sont constitués de trois sous-unités qui contribuent à la perméabilité ionique en s’assemblant symétriquement dans la membrane afin de former un pore central sélectif aux ions sodium, potassium, et calcium. L’ouverture de ce pore est contrôlée par la liaison avec des molécules d’ATP extracellulaires. Une fois ouvert, les ions circulent à travers le pore du canal pour déclencher une réponse de la cellule.

Des données de cristallographie aux rayons X ont permis de déterminer la structure tridimensionnelle de cette famille de canaux ioniques, confirmant leur organisation trimérique. Cependant, le mécanisme moléculaire qui conduit à l’ouverture du pore demeure toujours mal compris. En particulier, les structures cristallographiques ont révélé d’étranges crevasses latérales entre les sous-unités à l’endroit même où celles-ci doivent s’assembler de manière compacte pour former le pore central.

Pour répondre à ces questions, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode capable de mesurer dans des cellules vivantes les mouvements des sous-unités au sein du canal ionique P2X. Ils ont conçu puis accroché dans le canal des « pinces moléculaires ». Celles-ci changent de géométrie sous l’action de la lumière. Ces changements de géométrie ont pour conséquence de rapprocher ou au contraire d’éloigner des domaines distants qui forment le pore ionique, mimant ainsi l’action de l’ATP. Ces mouvements induits par la lumière se répercutent sur la fonctionnalité du récepteur P2X, ouvert ou fermé, que l’on peut alors mesurer en temps réel.

Comme ces pinces ont une taille moléculaire connue, les chercheurs ont pu déterminer l’amplitude du mouvement à l’angström près et proposer de nouveaux modèles moléculaires haute résolution du canal inséré dans sa membrane dans l’état fermé et ouvert. Les résultats ont montré que l’ouverture s’opère par un élargissement du pore ionique moins important que celui prédit par cristallographie aux rayons X, ce qui fait disparaître les crevasses initialement observées entre les sous-unités. Les données ont également montré que les hélices bordant le canal ionique se plient comme un coude au cours de l’activation ce qui permet au canal de s’ouvrir tout en maintenant une structure stable et compacte. Ces travaux apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes moléculaires qui conduisent à l’ouverture de ce pore ionique constitué de trois sous-unités.

grutter

(A) « Pinces moléculaires » contenant une fonction azobenzene isomérisable et bi-fonctionnalisées par deux groupements maléimide attachées irréversiblement dans le pore du récepteur. En fonction de la longueur d’onde d’excitation lumineuse (365 ou 525 nm), ces pinces se plient ou se déplient, rapprochant ou éloignant ainsi les parois du canal ionique. La variation de distance peut ainsi être déterminée. (B) Enregistrement « patch-clamp » de courants macroscopiques issus de canaux P2X activés par la lumière. (C) Enregistrement de courants unitaires issus d’un canal unique activé soit par l’ATP (gauche) soit par la lumière (droite). (D) Modèles moléculaires du canal P2X dans l’état fermé et ouvert contenant la « pince moléculaire » après simulation par dynamique moléculaire. L’amplitude du mouvement peut ainsi être modélisée.

Référence

Chloé Habermacher, Adeline Martz, Nicolas Calimet, Damien Lemoine, Laurie Peverini, Alexandre Specht, Marco Cecchini & Thomas Grutter

Photo-switchable tweezers illuminate pore-opening motions of an ATP-gated P2X ion channel

eLife 25 janvier 2016
http://elifesciences.org/content/5/e11050v1

Contact chercheur

Thomas Grutter, Laboratoire de conception et application de molécules bioactives – Strasbourg

Courriel : grutter@unistra.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

22 mars 2016