Système calpaïne calpastatine : Généralités

Système calpaïne calpastatine : Généralités

Les calpaïnes

Structure
Les calpaïnes sont des cystéines protéases intracellulaires de type papaïne. Les principales calpaïnes, 1 et 2, également appelées µ et m, sont ubiquitaires. Elles peuvent être activées in vitro par le calcium à des doses micromolaires pour la calpaïne 1 et millimolaires pour la calpaïne 2.

Initialement appelées « Calcium Activated Neutral Protease », elles ont été découvertes en 1964 par Guroff et la calpaïne 1 purifiée pour la première fois en 1976. Chez les mammifères le « système calpaïne » est le plus étudié. Mais il existe au total une famille de 17 gènes, dont 2 gènes codant pour les sous-unités et 1 gène codant pour la calpastatine (tableau 1). Elles sont classées de différentes manières dans la littérature soit selon leur structure, qu’elles comportent un domaine «calmodulin-like » ou non ; soit selon leur localisation tissulaire, ubiquitaire ou spécifique de tissus. Les calpaïnes 1 et 2 sont toutes les deux des hétérodimères composées d’une sous-unité principale d’environ 80 kDa et d’une seconde sous unité commune (Calpaïne 4 codée par le gène CAPNS1) d’environ 30 kDa. Leurs structures sont proches ce qui explique qu’elles partagent un grand nombre de substrats. La sous-unité principale porte le site catalytique et la petite sous-unité est dite régulatrice .

La sous-unité principale est composée de plusieurs domaines (Figure 1):
-Domaine I : Amino-terminal, il est autolysé lors de l’activation par le calcium. Une fois ce domaine clivé, la « sensibilité » au calcium est accrue.
-Domaine II : C’est le domaine qui porte le site catalytique papaïne-like. Il est composé de 3 acides aminés en position 105, 262 et 286. Il s’agit respectivement d’une cystéine, une histidine et une asparagine. Ce domaine est divisé en II a et II b, chacun capable de lier un ion calcium. Il est fortement conservé entre les différentes espèces avec une homologie de 85 à 93%.
-Domaine III : Ce domaine n’a pas d’homologie de structure avec d’autres protéines connues. Il est capable d’interagir avec les phospholipides membranaires . Il ne fixe pas le calcium, mais il peut lier la calpastatine .
-Domaine IV : Partie C-terminale de la sous-unité principale, c’est le domaine «calmoduline like ». Il partage une homologie d’environ 50% avec la calmoduline. Il possède 5 motifs EF-hand capables de lier le calcium (EF-1 à 5). Le premier joue un rôle dans la liaison à la sous-unité régulatrice.

La sous-unité régulatrice est divisée en deux domaines. Elle peut être exprimé via le gène Cpns1 ou Cpns2, les protéines comprenant respectivement 268 ou 248 acides aminés soit environ 28 kDa . Cpns2 est de découverte plus récente, son rôle et ses interactions sont peu documentés. La sousunité régulatrice est unie par liaison non covalente à la sous-unité principale et est composée de :

-Domaine V :
Il correspond, comme le domaine I de la sous-unité principale, à un domaine impliqué dans l’autolyse des calpaïnes. De plus, de par sa composition riche en glycine, il est de nature hydrophobe et permet une interaction avec les membranes.
-Domaine VI :
Il correspond à l’équivalent du domaine IV, c’est-à-dire « calmoduline like ». Il participe par sa structure à la fixation du calcium et à l’hétérodimérisation des calpaïnes.

Activation des calpaïnes

La synthèse des calpaïnes se fait sous forme inactive. Elle est a priori non régulée. Il semblerait néanmoins que leur expression puisse se majorer dans certaines situations (cellules inflammatoires activées) .

Pour être actives, les calpaïnes nécessitent un changement de conformation. Il survient via la fixation de Ca2+. Les noms de calpaïnes « µ et m » proviennent de cette capacité à être activé in vitro respectivement pour des doses micromolaires ou millimollaires de calcium. Les études sur la conformation 3D des calpaïnes et notamment la 2 confirment des interactions entre les domaines III et V et les domaines IV et VI. La fixation du calcium permettrait de rapprocher les sous domaines de la clef catalytique II a et II b (Figure 2).

In vivo, plusieurs mécanismes semblent à l’origine de leur activation. Ils permettent une activation pour des variations calciques plus faibles qu’in vitro :

-Le premier phénomène consiste en l’induction de l’autolyse des parties N-terminales des calpaïnes pour de faibles variations calciques (poids moléculaire post autolyse : calpaïne 1 : 76 kDa, calpaïne 2 : 78 kDa, calpaïne 4 : 18 kDa). Les calpaïnes sont alors considérées comme des pro-enzymes dans leurs formes de base. L’autolyse permettant de sensibiliser les calpaïnes qui s’activent ensuite pour des concentrations en calcium plus faibles. Mais cette hypothèse ne peut être exclusive car l’autolyse n’est pas obligatoire pour l’activité enzymatique .

-Une deuxième hypothèse propose que les calpaïnes s’activent lors de la dissociation de la sous-unité principale et de la sous-unité régulatrice. Des données supportent cette hypothèse en retrouvant une sous-unité principale qui peut être active seule .

Ces deux théories, l’autolyse activatrice d’une pro-enzyme et la dissociation activatrice, sont non exclusives et n’expliquent pas tous les phénomènes observés. Dès 1998, un modèle a été proposé par Suzuki et Sorimachi combinant ces deux grands principes. Dans ce modèle l’autolyse de la partie N-terminale est facultative et l’activation se ferait par dissociation au niveau de la membrane. La sous-unité régulatrice permettrait principalement une stabilisation, la demi-vie de l’enzyme active étant plus courte .

De plus d’autres phénomènes sont susceptibles d’influencer le niveau d’activité enzymatique des calpaïnes :
-Leur localisation subcellulaire peut permettre de bénéficier de zones où les variations en calcium locale entrainent leur activation .
-Les calpaïnes sont susceptibles d’être mobilisées à la membrane via leur domaine III hydrophobe après un signal calcique. La liaison à certains lipides, dont la phosphatidylsérine et le phosphatidylinositol, améliore la sensibilité au calcium. Certaines zones de la membrane riche de ces phospholipides pourraient jouer un rôle de recrutement +/-activateur des calpaïnes.
-La phosphorylation peut moduler leur activité : soit une majoration via ERK/MAP kinases (Extracellular signal-regulated kinases/Mitogen-activated protein kinases), soit une diminution via la protéine kinase A (PKA) .

L’étude de l’activation des calpaïnes reste pour le moment incomplète. La distribution subcellulaire des calpaïnes et les formes de calpaïnes prépondérantes varient selon le type cellulaire. Il existe très probablement de nombreuses formes activées dissociées ou non, autolysées ou non et possiblement fixées aux membranes dans des zones préférentielles adaptées à la cellule et à son métabolisme.

Calpastatine

La calpastatine est l’inhibiteur spécifique des calpaïnes in vivo. Le gène codant pour la calpastatine a été cloné dans les années 1990. Le gène de la calpastatine, cast, localisé sur le chromosome 13 chez la souris est composé de 35 exons et possède plusieurs promoteurs. Il existe donc plusieurs iso-formes de la calpastatine résultant d’un épissage alternatif, de protéolyse et/ou de la phosphorylation de la protéine (8 iso-formes décrites de 20 à 280 KDa). Des artéfacts techniques, comme des anomalies de migration en électrophorèse, ont rendu l’identification et l’estimation du poids moléculaire de la calpastatine ardues. Les différentes isoformes ne sont pas tissudépendantes .

La calpastatine est composée de 4 domaines principaux (I, II, III, IV) précédés d’un domaine N terminal (L-Domain). Le L-Domain peut lui-même être précédé du domaine XL selon les isoformes. Le domaine L permet une liaison à la membrane via des résidus basiques. Chaque domaine principal possède trois sous-domaines (A, B, C) (Figure 4). Les calpaïnes autres que 1 et 2 sont inhibées par la calpastatine si elles possèdent des domaines calmoduline-like (les calpaïnes non inhibées : 3-8-11).

Table des matières

Introduction
1) Système calpaïne calpastatine : Généralités
A) Les calpaïnes
1) Structure
2) Activation des calpaïnes
B) Calpastatine
C) Les subtrats des calpaïnes : généralités
2) Le système calpaïnes/calpastatine : données en physio-physiopathologie
A) Généralités
B) Calpaïnes et inflammation
C) Les calpaïnes externalisées
D) Calpaïnes et vieillissement
1) Physiologie, Physiopathologie
a) Mécanismes généraux
b) SASP
c) Inflammaging
2) Calpaïnes vieillissement : quelques exemples de pathologies et données actuelles
a) Neurodégénérescence et maladie d’Alzheimer
b) Calpaïnes et système cardiovasculaire
c) Cataracte
d) Calpaïnes et vieillissement : les données actuelles
E) Calpaïnes et cancer
1) Généralités
a) Migration cellulaire
b) Apoptose
c) Autophagie
d) Angiogenèse
2) Mélanome et calpaïnes
a) Thérapeutique immunomodulatrice
b) Mélanome et calpaïnes
3) Réponse immune et cancer
a) Implication du système adaptatif
b) TLR2 et cancer
Hypothèse de travail 1
Hypothèse de travail 2
Travail 1
Travail 2 (préliminaire et en cours) : Préliminaire En Cours
Discussion et perspective
1) Discussion
A) Implications du système calpaïnes-calpastatine au cours du vieillissement
B) Calpaïnes intra et extracellulaires et oncogenèse
2) Perspectives
A) Calpaïnes et vieillissement
B) Calpaïnes extracellulaires et cancer
Conclusion
Bibliographie

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