Système endo-lysosomal
Réticulum endoplasmique
Sites de contact membranaire (MCS) du RE
MCS RE/membrane plasmique (MP)
Homéostasie du calcium

Vue d'ensemble

1. Le Ca²⁺ est un second messager essentiel qui participe à de nombreux processus cellulaires, notamment

• la contraction musculaire,
• la sécrétion,
• l'excitabilité,
• le métabolisme,
• la régulation de l'expression génique.

Sa concentration cytosolique doit être étroitement contrôlée afin de permettre des signaux calciques transitoires tout en évitant les effets délétères d'une élévation prolongée du Ca²⁺ cytosolique.

2. L'homéostasie du Ca²⁺ repose sur un équilibre dynamique entre :

• son entrée dans le cytosol depuis le milieu extracellulaire, notamment par les canaux Ca_V, Orai et certains canaux TRP,
• sa libération à partir des réserves intracellulaires du RE par les récepteurs de l'IP3 (IP3R) et les récepteurs de la ryanodine (RyR),
• sa recapture dans le RE par les pompes SERCA,
• son extrusion hors de la cellule, notamment par les pompes PMCA et les échangeurs Na⁺/Ca²⁺ (NCX).
• sa recapture dans le RE
• son extrusion hors de la cellule. L

3. Les sites de contact membranaire entre le RE et la membrane plasmique participent à cette homéostasie en organisant spatialement plusieurs protéines qui contrôlent ces flux de Ca²⁺. 

4. Les mitochondries participent également à l'homéostasie intracellulaire du Ca²⁺ et échangent du Ca²⁺ avec le RE au niveau de sites de contact RE-mitochondries spécialisés.

Reconstitution des réserves de Ca²⁺ du RE

Entrée de Ca²⁺ dépendante des réserves

La reconstitution des réserves de Ca²⁺ du RE fait notamment intervenir l'entrée de Ca²⁺ extracellulaire aux MCS RE/MP (SOCE ou Store-Operated Calcium Entry), déclenchée par l'épuisement des réserves calciques du RE.

1. STIM1 (Stromal Interaction Molecule 1) détecte la diminution de la concentration en Ca²⁺ dans la lumière du RE et active Orai1 à la membrane plasmique, déclenchant ainsi l'entrée de Ca²⁺ extracellulaire.

a. STIM1 (STromal Interaction Molecule1) est une protéine membranaire dimérique du RE qui comprend :

• un seul domaine TM,
• un domaine cytosolique qui comprend une région polybasique responsable de la liaison avec les lipides de la MP,
• trois domaines coiled coil, i.e. CC1, et CC2/3 appelés aussi CAD ou Crac Activation Domain ou SOAR ou STIM-Orai Activating Region nécessaires à l'activation d'Orai1, (Mechanism of STIM activation 2020)
• un domaine luminal comportant une main EF (EF hand) qui détecte la concentration en Ca²⁺ dans la lumière du RE (Initial activation of STIM1, the regulator of store-operated calcium entry 2013).

b. À l'état de repos, lorsque la réserve de calcium du réticulum endoplasmique (RE) est pleine, un sous-domaine de CC1 (appelé α1) et les domaines CC2-CC3 de CAD forment une interaction coiled coil en spirale (représentée par de petites flèches doubles noires), ce qui empêche la liaison à Orai (Cell Signaling: The many states of STIM1 2021)

c. L'épuisement des réserves du Ca²⁺ du RE peut être dû à des facteurs de croissance, des hormones ou des molécules étrangères qui peuvent déclencher des voies de signalisation dépendantes du calcium.

• Dès lors, STIM1 à l'intérieur du RE (rose) perd ses ions Ca²⁺ liés (sphères vertes), provoquant l'interaction des régions entre elles et provoquant une interaction (doubles flèches) entre les domaines transmembranaires (TM vert foncé) des protéines STIM dimérisées.
• Ces réarrangements conduisent probablement à un état intermédiaire dans lequel l'interaction coiled coil CC1α1-CAD est libérée (représentée par des flèches courbes), et la CAD est projetée vers la membrane plasmique tandis que CC1α1 se rapproche des deux autres sous-domaines de CC1 (α2 et α3).

d. STIM1 sous sa conformation étendue s'accumule dans les MCS RE/MP, où elle se lie à Orai1 et l'active, provoquant l'ouverture du canal et l'entrée de Ca²⁺ extracellulaire dans le cytosol (Store-Operated Calcium Channels 2015).

2 Orai1 est un canal calcique de la membrane plasmique activé par STIM1.

a. Orai1 est un canal hexamérique de la MP dit CRAC (Ca²⁺ Release-Activated Ca²⁺) qui permet l'entrée de Ca²⁺ extracellulaire dans le cytosol et contribue ainsi à la reconstitution des réserves de Ca²⁺ du RE (CRACM1 Multimers Form the Ion-Selective Pore of the CRAC Channel 2006).

b. La structure de Orai1 comporte (Crystal structure of the calcium release-activated calcium channel Orai 2012) :

• quatre domaines transmembranaires (TM) avec ses extrémités N- et C-terminales faisant face au cytosol,
• un anneau de glutamate extracellulaire pour sélectionner le Ca²⁺,
• une région basique à l'intérieur qui régule l'activation du canal.

3. GRAMD2 participe à l'organisation de MCS RE-MP impliqués dans la signalisation calcique en délimitant des sous-domaines membranaires favorisant le recrutement de STIM1.

Elle est co-localisée avec les attaches formées par les E-Syt2/3 et marque des sous-domaines des MCS RE-MP enrichis en PI(4,5)P2 utilisés pour le recrutement de STIM1 (GRAM domain proteins specialize functionally distinct ER-PM contact sites in human cells 2018).

Recapture du Ca²⁺ par les pompes SERCA

Fonctionnement et isoformes des SERCA

1. Les pompes SERCA (Sarco/Endoplasmic Reticulum Ca²⁺-ATPases) sont des Ca²⁺-ATPases de type P2A situées dans la membrane du réticulum endoplasmique (RE) et du réticulum sarcoplasmique (RS).

• Elles utilisent l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP pour transporter activement le Ca²⁺ du cytosol vers la lumière du RE/RS, contre son gradient électrochimique.
• Elles transportent deux ions Ca²⁺ par molécule d'ATP hydrolysée.

SERCA contribue ainsi au maintien d'une faible concentration cytosolique de Ca²⁺ et à la reconstitution des réserves calciques du RE après leur mobilisation (The Sarcoplasmic Reticulum of Skeletal Muscle Cells: A Labyrinth of Membrane Contact Sites 2022).

Dans les cellules musculaires, la recapture rapide du Ca²⁺ dans le RS permet également la relaxation musculaire.

2. Chez les mammifères, trois gènes codent les différents types de pompes SERCA.

a. SERCA1, codée par ATP2A1, est principalement exprimée dans le muscle squelettique, avec notamment SERCA1a prédominante dans les fibres rapides adultes,

b. SERCA2, codée par ATP2A2, est exprimée pour :

• SERCA2a, dans le muscle cardiaque et les fibres musculaires squelettiques lentes,
• SERCA2b, largement distribuée dans les tissus.

c. SERCA3, codée par ATP2A3, est exprimée dans différents types de cellules non musculaires.

Régulation des SERCA

L'activité des pompes SERCA est régulée par plusieurs petites protéines transmembranaires dont l'expression et l'importance varient selon les tissus.

1. Dans les cellules musculaires, l'activité des pompes SERCA est régulée par plusieurs micropeptides transmembranaires d'environ 30 à 50 acides aminés.

• Certains sont des inhibiteurs de SERCA, notamment le phospholambane (PLN), la sarcolipine (SLN) et la myoréguline (MLN).
• À l'inverse, DWORF (Dwarf Open Reading Frame) est un activateur de SERCA, notamment en entrant en compétition avec certains micropeptides inhibiteurs pour leur liaison à la pompe.

a. Dans le muscle cardiaque, SERCA2a est principalement régulée par le phospholambane (PLN), qui inhibe son activité.

• La phosphorylation de PLN lève cette inhibition et favorise la recapture du Ca²⁺ par le réticulum sarcoplasmique.
• DWORF peut également stimuler l'activité de SERCA2a en s'opposant à l'action de régulateurs inhibiteurs.

b. Dans le muscle squelettique, la régulation fait notamment intervenir la sarcolipine (SLN) et la myoréguline (MLN), qui inhibent SERCA.

La sarcolipine peut également modifier le couplage entre l'hydrolyse de l'ATP et le transport du Ca²⁺.

c. Dans le muscle lisse, la régulation de SERCA2 dépend notamment du phospholambane, avec des variations selon les tissus.

2. Au cours de l'autophagie, VMP1 (vacuole membrane protein 1) interagit avec SERCA et favorise son activité en limitant la formation des complexes inhibiteurs avec le phospholambane (PLN) et la sarcolipine (SLN).

Cette régulation contribue à maintenir localement une faible concentration cytosolique de Ca²⁺ au niveau des contacts RE-phagophore et favorise le détachement du phagophore du RE au cours de la formation des autophagosomes ( interactions de VMP1 avec SERCA).

3. Dans les adipocytes, la seipine interagit fonctionnellement avec SERCA et module l'activité de SERCA au niveau des MCS RE-gouttelettes lipidiques (LD) et RE-mitochondries ou MAM ( régulation de SERCA par la seipine).

Libération du Ca²⁺ par le réticulum endoplasmique

Le Ca²⁺ stocké dans la lumière du réticulum endoplasmique peut être rapidement libéré dans le cytosol par l'ouverture de canaux calciques présents dans sa membrane.

Deux grandes familles de canaux assurent cette libération :

• les récepteurs de la ryanodine (RyR),
• les récepteurs de l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP₃R).

Récepteurs de la ryanodine (RyR)

Le réticulum endoplasmique peut libérer rapidement le Ca²⁺ stocké dans sa lumière vers le cytosol par l'intermédiaire de plusieurs canaux calciques, notamment les récepteurs de la ryanodine (Regulatory mechanisms of ryanodine receptor/Ca2+ release channel revealed by recent advancements in structural studies 2020)

Les récepteurs de la ryanodine (RyR) sont de grands canaux calciques de la membrane du RE, particulièrement développés dans le réticulum sarcoplasmique des cellules musculaires (Calcium-release channels: structure and function of IP3 receptors and ryanodine receptors 2021)

Remarque : leur nom provient de la ryanodine, un alcaloïde végétal utilisé expérimentalement qui se lie avec une forte affinité à ces canaux, mais qui ne constitue pas un ligand physiologique des RyR.

1. La structure des RyR est particulièrement complexe et possède (Recent advances in understanding the ryanodine receptor calcium release channels and their role in calcium signalling) :

• une vaste région cytosolique formée de nombreux domaines régulateurs,
• une région transmembranaire beaucoup plus petite qui constitue le pore calcique.

1. Trois isoformes principales, RyR1, RyR2 et RyR3, sont exprimées chez les mammifères.

a. Dans le muscle strié squelettique, RyR1 constitue l'isoforme principale et est fonctionnellement couplée à Ca_v1.1 dans la membrane des tubules T (Structure and Function of the Human Ryanodine Receptors and Their Association with Myopathies - Present State, Challenges, and Perspectives 2020).

b. Dans le muscle cardiaque, RyR2 est l'isoforme principale activée par l'entrée de Ca²⁺ à travers Ca_v1.2, selon un mécanisme de libération de Ca²⁺ induite par le Ca²⁺ (CICR ou Calcium-Induced Calcium Release).

c. RyR3 présente une distribution tissulaire plus large et participe à la modulation de la signalisation calcique dans différents types cellulaires.

2. L'activité des RyR peut être modulée par différents messagers et protéines régulatrices.

• L'ADP-ribose cyclique (cADPR), un dérivé du NAD⁺ favorise la mobilisation intracellulaire du Ca²⁺ (signalisation calcique par le cADPR).
• La calmoduline régule les RyR de manière dépendante du Ca²⁺

Dans le cas de RyR1, la Ca²⁺-calmoduline inhibe notamment l'activité du canal et contribue ainsi au contrôle de la libération du Ca²⁺ par le réticulum sarcoplasmique ( interactions de la calmoduline avec RyR1).

Récepteurs de l'IP3 (IP₃R))

Les récepteurs de l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP₃R) sont des canaux calciques du RE dont l'ouverture, notamment en réponse à la fixation de l'IP3, permet la libération du Ca²⁺ stocké dans sa lumière vers le cytosol.

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