• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Canaux ioniques
Canaux CNG (Cyclic Nucleotide–Gated)

Sommaire
définition

Les canaux ioniques dépendant de nucléotides cycliques ou canaux CNG sont des canaux ioniques (ou protéiques) qui fonctionnent en réponse à la liaison de nucléotides cycliques (AMPc et GMPc).

Ces canaux sont apparentés aux canaux HCN (Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide–gated ou canaux à déclenchement nucléotidique cyclique), canaux cationiques non sélectifs voltage-dépendants comportant quatre isoformes (HCN1, 2, 3, 4), générant une activité rythmique au sein de groupes de cellules cardiaques et cérébrales.

1. La famille des canaux CNG font partie de la famille des canaux ioniques voltage-dépendants ou dépendants du voltage (VGIC pour voltage-gated ion channel) aussi appelés électrorécepteurs, i.e. ils devraient être sensibles à la différence de potentiel membranaire.

attention

Toutefois, malgré la présence du domaine de capteur de tension commun à tous les membres de cette famille, ils n'y sont pas sensibles, mais sont déclenchés par la concentration intracellulaire de l'AMPc ou du GMPc.

NALCN
La superfamille des VGL
(Figure : vetopsy.fr d'après Yu et Catterall)

Ils forment la superfamille des VGL (The VGL-Chanome: A Protein Superfamily Specialized for Electrical Signaling and Ionic Homeostasis 2004 et Overview of Molecular Relationships in the Voltage-Gated Ion Channel Superfamily 2005).

Dans cette superfamille, se trouvent les canaux sodiques voltage-dépendants (NaV), les canaux potassiques voltage-dépendants (Kv), les canaux calciques voltage-dépendants (Cav), les canaux HCN (Hyperpolarisation-activated Cyclic-Nucleotid modulated Cation Non-selective Channel), les canaux TRP (transient receptor potential), les canaux TPC (Two-Pore channels).

2. Ces canaux sont constitués de quatre sous-unités, correspondant parfois à 4 domaines d'une même protéine, comme pour le canal sodium voltage-dépendent (NaV).

3. Les canaux CNG sont des canaux cationiques non sélectifs qui se trouvent dans les membranes de divers tissus et de cellules et jouent un rôle important dans

Structure des CNG

Canaux CNG
Canaux CNG
(Figure : vetopsy.fr d'après Bradley et coll)

Les canaux CNG, formés de 4 sous-unités, ont d'abord été trouvés dans les photorécepteurs, puis dans les cellules olfactives, et enfin dans d'autres cellules nerveuses ou non.

Chez les mammifères, une famille de six gènes codent pour :

  • quatre sous-unités A : CNGA1 à CNGA4,
  • deux sous-unités B : CNGB1 (a et b) et CNGB3.

Chaque sous-unité est composée de plusieurs structures (Structure of a eukaryotic cyclic nucleotide-gated channel 2017 et CryoEM structure of a prokaryotic cyclic nucleotide-gated ion channel 2017 et Structures of the Human HCN1 Hyperpolarization-Activated Channel 2017).

Domaines transmembranaires et pore

1. Six domaines transmembranaires (TMD : 1 à 6), comme leur nom l'indique, traversent la membrane.

attention

Bien que possédant un capteur de tension, les canaux CNG ne sont pas bloqués par la tension, une propriété essentielle pour une phototransduction et une transduction olfactive appropriées.

Structure de LliK (CNG procaryote)
Structure de LliK (CNG procaryote)
(Figure : James and coll)

2. La boucle du pore (P-loop), comparable à la boucle-P des autres canaux, est situé entre le domaine 5 et 6 et peut s'étendre jusqu'à l'axe central du canal (A Single P-loop Glutamate Point Mutation to either Lysine or Arginine Switches the Cation–Anion Selectivity of the CNGA2 Channel 2006).

  • Liaison VSD-pore non permutée
    Liaison VSD-pore non " permutée "
    (Figure : James and coll)
    Cette boucle P permet la sélectivité ionique du canal CNG et détermine le diamètre du pore central pour laisser passer les ions en fonction de leur diamètre.
  • Fermée, cette porte empêche les ions de pénétrer dans le canal.
  • Des changements conformationnels des quatre sous-unités permet l'ouverture du canal.

3. La liaison entre le VSD et le domaine du pore est particulière.

  • Dans les canaux ioniques voltage-dépendants ou dépendants du voltage (VGIC pour voltage-gated ion channel), le VSD d'une sous-unité s'associe au domaine de pore d'une sous-unité voisine dans une configuration dite " permutée ".
  • Dans les canaux CNG, le VSD interagit uniquement avec le domaine du pore de la même sous-unité dans une configuration dite " non permutée " par des interactions hydrophobes et des liaisons hydrogène entre les extrémités extracellulaires de S1 et S5 et l'hélice des pores, et entre les extrémités intracellulaires de S4 et S5.

Extrémité C-terminale

Les deux extrémités C- et N-terminales sont intracellulaires et contiennent des régions fonctionnelles pour la régulation du canal.

Extrémité C-terminale de quelques canaux CNG, HCN et KCNH
Extrémité C-terminale de quelques canaux CNG, HCN et KCNH
(Figure : James and coll)

L'extrémité C-terminale comporte deux régions essentielles au fonctionnement du canal.

1. Le site de liaison du nucléotide cyclique (loupe domaine CNBD : Cyclic nucleotide-binding domain), i.e. l'AMPc pour les récepteurs olfactifs, GMPc pour les photorécepteurs, est classique et retrouvé dans d'autres protéines.

  • Canaux CNG
    Lien-C et CMBD
    (Figure : vetopsy.fr d'après Schünke et Stoldt)
    Un rouleau β (β-roll), composé de huit feuillets β antiparallèles (β-sheet), est surmonté d'un faisceau hélicoïdal de quatre hélices α (désignées A, P ou PBC, B et C).
  • Le rouleau β est entouré par l'hélice α N-terminale, une courte hélice α interne située entre les brins β6 et β7, désignée comme la cassette de liaison au phosphate (phosphate-binding-cassette : PBC) et deux hélices α (αB et αC) situé à l'extrémité C-terminale.
  • Le nucléotide cyclique se lie à l'intérieur d'une cavité formée par certaines parties du rouleau β, l'hélice PBC et l'hélice αC.

2. Le lien-C (C-linker) est une région d'environ 80 acides aminés qui relie le CNBD au segment S6, et est essentiel au déclenchement du canal.

Sa structure est, elle aussi, classique comme celle du C-linker du canal HCN, et est composée de six hélices α, désignées A'-F' (Structural snapshot of cyclic nucleotide binding domains from cyclic nucleotide-sensitive ion channels 2013).

  • L'hélice A' est connectée à S6 via un simple lien entre 2 acides aminés. Cette connexion directe est cruciale pour l'activation.
  • Les hélices A'B' s'étendent à un angle de 25 ° par rapport au plan de la membrane et sont prises en sandwich entre le domaine transmembranaire (TMD) et le reste de l'extrémité C-terminale.

La liaison du nucléotide cyclique facilite la tétramérisation grâce aux connections entre sous-unités des liens-C (Tetramerization Dynamics of C-terminal Domain UnderliesIsoform-specific cAMP Gating in Hyperpolarization-activatedCyclic Nucleotide-gated Channels 2011).

  • Canaux CNG
    Gating ring de TAX-4
    (Figure : Li and coll)
    Les deux hélices A'B' forme un motif hélice-coude-hélice antiparallèle qui entre en contact avec les hélices αC′ and αD′ de la sous-unité voisine, appelé elbow-shoulder (coude-épaule) ou " gating ring ".
  • D'autres interactions entrent en jeu comme des liaisons hydrogène et un pont salin entre les résidus K472 dans l'hélice αB′ et E502 dans αD′ de la sous-unité voisine.
  • La tétramérisation du canal est due à deux interfaces : la première dans Des interactions hydrophobes sont aussi présentes entre le domaine du pore d'une sous-unité avec S6 de la sous-unité voisine(Structure of a eukaryotic cyclic nucleotide-gated channel 2017).

Les hélices A'B' interagissent avec le domaine transmembranaire et maintiennent S6 dans un état ouvert. Grâce à ces interactions, les hélices A'B' transmettent directement les changements de conformation du CNBD au TMD et finalement au filtre de sélectivité.

Canaux CNG
Canaux CNG
(Figure : vetopsy.fr d'après Bradley et coll)

L'élimination du pont salin intersubunité par mutagenèse dans le CNGA1 et le HCN favorise l'ouverture des canaux (Salt Bridges and Gating in the COOH-terminal Region of HCN2 and CNGA1 Channels 2004). De plus, l'échange de trois résidus consécutifs QEK dans l'hélice αA' du lien-C de HCN2 par la séquence FPN présente dans les canaux CNGA4 favorise le désassemblage de l'anneau de déclenchement tétramérique et l'AMPc se inhibe plutôt qu'active le canal HCN2 (A Conserved Tripeptide in CNG and HCN Channels Regulates Ligand Gating by Controlling C-Terminal Oligomerization 2004).

Extrémité N-terminale

L'extrémité N-terminale ou/et C-terminale contiennent des sites de liaison de la calmoduline :

Mécanismes des CNG

Ouverture du canal CNGA1
Ouverture du canal CNGA1
(Figure : vetopsy.fr d'après Mazzolini et coll)
Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014