Les recepteurs nicotiniques des vertebres : un modele de recepteur pentamerique

Les rรฉcepteurs ร  lโ€™acรฉtylcholine de type nicotinique (nAChRs) ont la plus ancienne histoire dโ€™รฉtudes expรฉrimentales parmi les rรฉcepteurs connus. En effet, dรจs le dรฉbut du XXรจme siรจcle, John Newport Langley suggรจre lโ€™existence de rรฉcepteurs impliquรฉs dans la transduction et la reconnaissance des signaux chimiques (Langley 1907). Dans ses รฉtudes concernant la contraction musculaire chez la grenouille, il dรฉmontre que le curare abolit la contraction tonique observรฉe en prรฉsence de nicotine. En 1914, Dale dรฉmontre la prรฉsence de deux types de rรฉcepteurs ร  lโ€™acรฉtylcholine en fonction de leur profil pharmacologique: les rรฉcepteurs muscariniques sensibles ร  la muscarine et les rรฉcepteurs nicotiniques sensibles ร  la nicotine (Dale 1914).

Les rรฉcepteurs nicotiniques des Vertรฉbrรฉs: un modรจle de rรฉcepteur pentamรฉrique

La famille des rรฉcepteurs canaux activรฉs par un ligand (LGIC)

Les rรฉcepteurs canaux activรฉs par un ligand (LGICs, ยซ Ligand Gated Ion Channelsยป) sont rรฉpartis en trois superfamilles (Le Novรจre et Changeux 2001; pour revue Connolly et Wafford 2004) :

โ–ถ La superfamille des rรฉcepteurs au glutamate, comprenant les rรฉcepteurs au NMDA (N-mรฉthyl-D-aspartate), les rรฉcepteurs ร  lโ€™AMPA (acide ฮฑ-amino-3- hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionique) et les rรฉcepteurs au kainate. Ces rรฉcepteurs sont constituรฉs de quatre sous-unitรฉs homologues comprenant chacune quatres domaines transmembranaires (Wollmuth et Sobolevsky 2004).
โ–ถ La superfamille des rรฉcepteurs ร  lโ€™ATP (adรฉnosine triphosphate) qui sont formรฉs de trois sous-unitรฉs homologues ร  deux domaines transmembranaires (Brake et coll. 1994).
โ–ถย La superfamille des rรฉcepteurs ร  ยซ cys-loop ยป (cysLGICs) .

Chez les Vertรฉbrรฉs, la superfamille des cysLGICs comprend ร  la fois des rรฉcepteurs avec une permรฉabilitรฉ anionique ou cationique et lโ€™analyse phylogรฉnรฉtique montre que ces rรฉcepteurs partagent un ancรชtre commun (Ortells et Lunt 1995; pour revue Connolly et Wafford 2004).

On distingue quatre grandes classes de rรฉcepteurs cysLGICs:

โœฆ Les rรฉcepteurs ร  lโ€™acรฉtylcholine de type nicotinique (nAChRs) permรฉables aux cations.
โœฆ Les rรฉcepteurs ร  lโ€™acide ฮณ-aminobutyrique (GABA) de type GABAA et GABAC, majoritairement permรฉables aux anions.
โœฆย Les rรฉcepteurs ร  la glycine permรฉables aux anions.
โœฆย Les rรฉcepteurs ร  la sรฉrotonine de type 5-HT3 permรฉables aux cations.

Les rรฉcepteurs de la ยซ super-famille ยป des cysLGICs prรฉsentent une structure homogรจne et sont notamment constituรฉs de cinq sous-unitรฉs homologues. Les sous-unitรฉs composant ces rรฉcepteurs prรฉsentent un profil dโ€™hydrophobicitรฉ similaire et une structure caractรฉristique (Grutter et Changeux 2001; Le Novรจre et Changeux 2001):

โ–ย Un large domaine hydrophile amino terminal (N-terminal) extracellulaire
โ–ย Quatre segments transmembranaires hydrophobes (notรฉs TM1 ร  TM4)
โ–ย Une large boucle intracellulaire entre les domaines TM3 et TM4
โ–ย Un petit domaine hydrophile carboxy terminal (C-terminal) extracellulaire .

La principale caractรฉristique de ces sous-unitรฉs est la prรฉsence dโ€™une boucle de cystรฉines (ยซ cys-loop ยป) au niveau du domaine N-terminal, correspondant ร  un pont disulfure entre deux cystรฉines sรฉparรฉes par 13 acides aminรฉs (Le Novรจre et coll. 2002a; Brejck et coll. 2001). Parmi les cysLGICs, les nAChRs constituent le modรจle de rรฉfรฉrence de ces rรฉcepteurs pentamรฉriques (Lindstrom 2001). En effet, lโ€™รฉtude des nAChRs purifiรฉs de la torpille (Torpedo californica ou Torpedo marmorata) et le perfectionnement des techniques dโ€™imagerie, en particulier la microscopie รฉlectronique ร  faible dose et la cryo-microscopie รฉlectronique, ont permis de collecter des informations de plus en plus prรฉcises sur la structure de ces rรฉcepteurs (Unwin et Fujiyoshi 2012).

Structure tridimensionnelle du rรฉcepteur nicotinique de la torpille

La structure tridimensionnelle des nAChRs de lโ€™organe รฉlectrique de la torpille a tout dโ€™abord รฉtรฉ dรฉterminรฉe ร  une rรฉsolution de 9 ร… (Unwin 1993). Les coupes transversales et longitudinales ainsi obtenues par microscopie รฉlectronique montrent dรฉjร  clairement une structure pentamรฉrique de 80 ร… de diamรจtre et 110 ร… de long. De plus, les cinq sous-unitรฉs transmembranaires constituant le rรฉcepteur sโ€™avรจrent รชtre situรฉes ร  รฉquidistance autour dโ€™un axe pseudo-symรฉtrique central formant un pore de 65 ร… de diamรจtre (Miyazawa et coll. 1999). La structure du rรฉcepteur a ensuite รฉtรฉ prรฉcisรฉe ร  une rรฉsolution de 4,6 ร… (Unwin 2003) puis ร  4 ร…, permettant la construction dโ€™un modรจle affinรฉ (Unwin 2005). Dans ce modรจle, le nAChR semble avoir une longueur dโ€™environ 160 ร… perpendiculairement ร  la membrane et est organisรฉ en trois parties: (1) un domaine extracellulaire (DEC) ou domaine de liaison des ligands, qui prรฉsente un vestibule central dโ€™environ 60 ร… de long pour 20 ร… de large, et qui possรจde deux sites de liaison pour lโ€™ACh; (2) un domaine transmembranaire (DTM) qui constitue le pore du canal et (3) un domaine intracellulaire (DIC), qui possรจde un vestibule de plus petite taille que celui du DEC et enfin une courte extrรฉmitรฉ C-terminale extracellulaire . Le DEC est organisรฉ autour de deux sรฉries de feuillets ฮฒ alignรฉes formant une structure appelรฉe ยซ sandwich ฮฒ ยป qui sont associรฉes par des ponts disulfures. Le DTM est constituรฉ de quatre segments dโ€™hรฉlices ฮฑ transmembranaires (TM1 ร  TM4) qui dรฉlimitent le pore du canal. Les hรฉlices TM2 sont rapprochรฉes et forment une ceinture hydrophobe au niveau du pore du canal, constituant ainsi une barriรจre impermรฉable aux ions lorsque le rรฉcepteur est ร  lโ€™รฉtat fermรฉ. Au contraire, le TM4 est situรฉ ร  distance du pore et est plus en interaction avec la membrane plasmique. De plus, comme son nom lโ€™indique, le DTM traverse complรจtement la membrane mais, de maniรจre plus surprenante, environ 25% de chaque hรฉlice ฮฑ se situe au dessus de la membrane au niveau extracellulaire (Unwin 2003; Unwin 2005). Par ailleurs, le DIC (situรฉ entre les TM3 et TM4) semble constituรฉ dโ€™une seule grande hรฉlice ฮฑ chez Torpedo mais serait plutรดt formรฉ dโ€™un mรฉlange dโ€™hรฉlices ฮฑ et de feuillets ฮฒ pour les autres sous-unitรฉs de nAChRs (Unwin 2005; Albuquerque et coll. 2009).

Structure molรฉculaire des rรฉcepteurs nicotiniques et nomenclature

Structure des sous-unitรฉs formant le rรฉcepteur

Les sous-unitรฉs participant ร  la formation des rรฉcepteurs prรฉsentent toutes une structure similaire, les motifs fonctionnels importants dans la liaison de lโ€™ACh รฉtant notamment conservรฉs. Ainsi, chaque sous-unitรฉ est constituรฉe dโ€™un domaine N-terminal extracellulaire suivi de quatre domaines transmembranaires (TM1 ร  TM4) et dโ€™une boucle carboxy-terminale extracellulaire (Grutter et Changeux 2001; Le Novรจre et Changeux 2001) . De plus, lโ€™assemblage de ces sous-unitรฉs pour former le canal ionique leur confรจre un rรดle particulier dans le fonctionnement du rรฉcepteur . En effet, la rรฉgion N-terminale est impliquรฉe dans la liaison des agonistes et comprend six boucles notรฉes A ร  F et est caractรฉrisรฉe par la prรฉsence dโ€™une ยซ cys-loop ยป, qui est indispensable ร  la formation des nAChRs. En effet, la mutation dโ€™une des cystรฉines de la ยซ cys-loop ยป entraine un blocage de lโ€™assemblage des sous-unitรฉs au stade de trimรจre chez la torpille (Green et Wanamaker 1997). Dโ€™autre part, le segment TM1 est liรฉ au domaine de liaison de lโ€™ACh suggรฉrant un rรดle dโ€™intermรฉdiaire dans lโ€™activation du rรฉcepteur (Rush et coll. 2002). Ce segment serait รฉgalement impliquรฉ dans lโ€™assemblage des sous-unitรฉs adjacentes (Wang et coll. 1996; Alves et coll. 2011). Le segment TM2 constitue lโ€™essentiel du pore du canal ionique et contient des acides aminรฉs qui influencent la conductance du canal (Imoto et coll. 1986; Imoto et coll. 1988). Enfin, les domaines TM3 et TM4 sont impliquรฉs dans le coassemblage des sous-unitรฉs et lโ€™expression fonctionnelle des rรฉcepteurs au niveau de la membrane cellulaire (Kuo et coll. 2005). Par ailleurs, on observe la prรฉsence dโ€™une large boucle cytoplasmique situรฉe entre les domaines TM3 et TM4 et dont la longueur varie en fonction des sous-unitรฉs. Cette boucle est impliquรฉe dans la rรฉgulation des rรฉcepteurs nicotiniques. En outre, des acides aminรฉs spรฉcifiques de cette boucle peuvent รชtre phosphorylรฉs et par consรฉquent entrainer la modulation de la rรฉponse physiologique (Grutter et Changeux 2001; Unwin 2005; Castelan et coll. 2007). Certains acides aminรฉs hydrophobes de cette boucle, principalement des leucines (L351, L357, L358 pour la sousunitรฉ ฮฑ4; L343, L349, L350 pour la sous-unitรฉ ฮฒ2; L321 pour la sous-unitรฉ ฮฑ7), sont importants pour lโ€™expression des rรฉcepteurs au niveau de la membrane cellulaire (Ren et coll. 2005; Castelan et coll. 2007).

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Table des matiรจres

INTRODUCTION
CHAPITRE 1. PRESENTATION GENERALE ET STRUCTURE MOLECULAIRE DES RECEPTEURS NICOTINIQUES
1) LES RECEPTEURS NICOTINIQUES DES VERTEBRES : UN MODELE DE RECEPTEUR PENTAMERIQUE
1.1) La famille des rรฉcepteurs canaux activรฉs par un ligand (LGIC)
1.2) Structure tridimensionnelle du rรฉcepteur nicotinique de la torpille
2) STRUCTURE MOLECULAIRE DES RECEPTEURS NICOTINIQUES ET NOMENCLATURE
2.1) Structure des sous-unitรฉs formant le rรฉcepteur
2.2) Diversitรฉ des sous-unitรฉs chez les Vertรฉbrรฉs
2.3) Classification pharmacologique des rรฉcepteurs nicotiniques
3) SITES DE LIAISON DES LIGANDS
3.1) Topologie des sites de liaison
3.2) Identification des rรฉsidus impliquรฉs dans la liaison des ligands
4) STRUCTURE DYNAMIQUE DU RECEPTEUR NICOTINIQUE
CHAPITRE 2. DIVERSITE DES SOUS-UNITES DE RECEPTEURS NICOTINIQUES CHEZ LES INSECTES
1) LES GENES CODANT POUR LES SOUS-UNITES DE NACHRS CHEZ LES INSECTES
2) DIVERSITE DES SOUS-UNITES PAR MODIFICATIONS POST-TRANSCRIPTIONNELLES
2.1) Modification de sous-unitรฉs dโ€™insectes par รฉpissage alternatif
2.1.1) Les diffรฉrents mรฉcanismes dโ€™รฉpissage alternatif
2.1.2) Identification dโ€™isoformes รฉpissรฉes chez les insectes
2.1.3) Implications fonctionnelles de lโ€™รฉpissage alternatif
2.2) Edition des sous-unitรฉs dโ€™insectes
2.2.1) Identification dโ€™isoformes รฉditรฉes chez les insectes
2.2.2) Consรฉquences fonctionnelles de lโ€™รฉdition
2.2.3) Lien entre les mรฉcanismes dโ€™รฉdition et dโ€™รฉpissage
CHAPITRE 3. ETUDE PHARMACOLOGIQUE DES RECEPTEURS NICOTINIQUES Dโ€™INSECTES
1) IDENTIFICATION DE DIFFERENTS SOUS-TYPES PHARMACOLOGIQUES
1.1) Caractรฉrisation des diffรฉrents sous-types de nAChRs dโ€™insectes par des approches รฉlectrophysiologiques
1.2) Identification de sous-types de rรฉcepteurs par des tests de liaison par affinitรฉ
2) INFLUENCE DE LA NATURE DES SOUS-UNITES SUR LES PROPRIETES PHARMACOLOGIQUES DES RECEPTEURS
CHAPITRE 4. MODE Dโ€™ACTION DES INSECTICIDES NEONICOTINOรDES SUR LES RECEPTEURS NICOTINIQUES NEURONAUX DES INSECTES
1) HISTORIQUE
2) TOXICITE DES NEONICOTINOรDES IN VIVO
3) PHARMACOLOGIE DES INSECTICIDES NEONICOTINOรDES
3.1) Effet des nรฉonicotinoรฏdes sur les nAChRs synaptiques et extrasynaptiques
3.2) Sites de liaison des insecticides nรฉonicotinoรฏdes sur les nAChRs
3.3) Site de liaison des nรฉonicotinoรฏdes chez le puceron : disparitรฉ des donnรฉes obtenues
3.4) Nature des sous-unitรฉs impliquรฉes dans la liaison des nรฉonicotinoรฏdes
3.5). Modulation du mode dโ€™action des insecticides nรฉonicotinoรฏdes par les voies de rรฉgulation intracellulaire
4) MECANISMES DE RESISTANCE AUX NEONICOTINOรDES
CONCUSION

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