Les canaux K ATP
1. Architecture moléculaire des canaux K ATP
Produits de l’assemblage unique d’un récepteur membranaire de la famille des transporteurs à ATP-binding cassette (ABC) et d’un canal potassique, les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP) sont des canaux potassiques rectifiant entrants inhibés par l’ATP et activés par le MgADP. Cette sensibilité particulière aux nucléotides adénylés intracellulaires leur confère un rôle primordial au sein des cellules excitables où ils couplent le métabolisme cellulaire au potentiel de membrane. Présents au sein de tissus variés tels que les muscles cardiaques, les muscles squelettiques et muscles lisses, les neurones ou encore le pancréas, ils interviennent de ce fait dans de nombreuses fonctions essentielles telles que le contrôle de la durée du potentiel d’action cardiaque, de la relaxation des muscles vasculaires lisses, de la libération de neurotransmetteurs ou encore de la sécrétion d’insuline.
1.1 Composition moléculaire et stoechiométrie du canal KATP
Les canaux KATP résultent de l’assemblage de deux sous-unités: le canal sélectif au potassium rectifiant entrant Kir6.x (∼450 acides aminés), associé au récepteur des sulphonylurées SUR (∼1600 acides aminés). Suivant les tissus considérés, on trouve deux isoformes différentes de Kir6.x (i.e. Kir6.1 dans les muscles lisses et Kir6.2 dans le pancréas, le cerveau, le cœur et les muscles squelettiques) et trois isoformes de SUR (i.e. SUR1 dans le pancréas, SUR2A dans le cœur et les muscles squelettiques, et SUR2B au niveau des muscles lisses des vaisseaux sanguins). De structure hétérooctamérique, les canaux sont constitués d’un pore central formé de quatre sous-unités Kir6.2, entouré par quatre sous-unités SUR (Clement et al., 1997) jouant un rôle régulateur (Figure 5). L’ensemble forme un complexe d’environ 950 kDa. La présence simultanée des deux sous-unités est indispensable pour que le canal soit fonctionnel à la membrane plasmique (Inagaki et al., 1995a), et leur association physique a été confirmée dans le cas du canal KATP cardiaque par des études de co- immunoprécipitation (Lorenz et Terzic, 1999).
A l’image de nombreux autres membres de la famille des canaux potassiques rectifiant entrants (Kir), Kir6.2 s’assemble en tétramère pour former le pore potassique central des canaux KATP (Clement et al., 1997; Shyng et Nichols, 1997). La stoechiométrie finale du complexe a pu être déterminée grâce à l’utilisation de tandems SUR1-Kir6.2 fusionnés: la construction SUR1-Kir6.2 présente des propriétés similaires à celles des canaux natifs,
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contrairement aux tandems SUR1-Kir6.2-Kir6.2 ne permettant pas spontanément la formation de canaux sauf si ils ont coexprimés avec SUR1. Ceci indique que chaque sous-unité Kir6.2 requiert une sous-unité SUR et suggère qu’une stoechiométrie 1:1 est nécessaire pour le bon fonctionnement des canaux (Clement et al., 1997; Inagaki et al., 1997). La structure octamérique du canal KATP a été confirmée par des études biochimiques qui montrent que la masse moléculaire du complexe est d’environ 950 kDa, ce qui correspondrait à quatre sous- unités SUR1 et quatre sous-unités Kir6.2 (Clement et al., 1997) (Figure 5).
EXT
Canal K+rectifiant entrant Kir6.2
Récepteur des sulphonylurées SUR
Complexe octamérique
N
A C B
L A
B L
NBD1 NBD2
L0 L1
TMD1 TMD2
TMD0
N
C
M1 M2
ATP
TMD1
TMD0 TMD2
ATP
ADP
Signal de rétention dans le réticulum endoplasmique = RKR
EXT EXT
Canal K+rectifiant entrant Kir6.2
Récepteur des sulphonylurées SUR
Complexe octamérique
N
A C B
L A
B L
NBD1 NBD2
L0 L1
TMD1 TMD2
TMD0
A B
L A
B A L
B L
A B
L A
B L A
B L
NBD1 NBD2
L0 L1
TMD1 TMD2
TMD0
NBD1 NBD2
NBD1 NBD2
L0 L1
TMD1 TMD2
TMD0 TMD1 TMD2
TMD0
N
C
M1 M2
M1 M2
ATP ATP
TMD1
TMD0 TMD2
TMD1
TMD0 TMD2
ATP ATP
ADP ADP
Signal de rétention dans le réticulum endoplasmique = RKR Signal de rétention dans le réticulum endoplasmique = RKR
Figure 5 : Topologie et stoechiométrie du canal KATP. Kir6.2 possède deux hélices transmembranaires et un site de liaison des nucléotides; SUR possède trois domaines transmembranaires (TMD0,1&2) et deux domaines de liaison des nucléotides (NBD1&2) comportant les séquences consensus Walker A, Walker B et Linker L (= signature ABC). La présence de signaux de rétention dans le réticulum endoplasmique sur les deux sous-unités permet de restreindre l’adressage membranaire aux canaux de configuration octamérique.
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De plus, la structure tridimensionnelle du complexe en microscopie électronique à basse résolution (18Å) (Mikhaïlov et al., 2005) confirme cette stoechiométrie avec quatre sous- unités SUR englobant un pore central formé de quatre sous-unités Kir6.2.
1.2 Assemblage et adressage
Les modalités d’assemblage du canal in vivo sont encore méconnues, mais certains résultats suggèrent que SUR1 interagit rapidement avec Kir6.2 monomérique dans le réticulum endoplasmique, et non pas avec des tétramères de Kir6.2, et stabilise cette forme monomérique. La formation du complexe octamérique se ferait alors à partir de ces hétéromères SUR1/Kir6.2 (Crane et Aguilar-Bryan, 2004). Un certain nombre de zones d’interaction entre sous-unités potentiellement mises en jeu au cours de cette assemblage ont été rapportées: ainsi, le domaine N-terminal TMD0 de SUR1 s’associe fortement à Kir6.2 et module son adressage ainsi que ses propriétés d’ouverture (Chan et al., 2003; Fang et al., 2006), de même qu’un segment cytoplasmique de SUR2A reliant les domaines TMD2 et NBD2 interagit également avec Kir6.2 et perturbe l’adressage du canal natif lorsqu’il est coexprimé avec SUR2A et Kir6.2 (Rainbow et al., 2004a/2004b).
L’observation de Tucker et al. (1997) que Kir6.2 tronqué de ses trente-six résidus C- terminaux est capable de former en absence de SUR des canaux donnant lieu à des courants à la membrane plasmique s’explique par la présence dans ces trente-six résidus d’une séquence riche en arginines de trois acides aminés, RXR (Figure 5), qui agit comme signal de rétention de la protéine dans le réticulum endoplasmique (Zerangue et al., 1999). Un signal identique est présent chez SUR, localisé dans le segment cytoplasmique reliant les domaines TMD1 et NBD1. Ce signal interviendrait au moment de l’assemblage des canaux KATP et interagirait avec des dimères de protéine 14-3-3 (Yuan et al., 2003): dans un premier temps, SUR1 masquerait stériquement le signal de rétention de Kir6.2, puis 14-3-3 masquerait celui de SUR1, permettant ainsi la sortie du réticulum endoplasmique et l’adressage à la membrane plasmique (Heusser et al., 2006) (Figure 6).
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1
3
2
R R
Signaux de rétention = RXR
1
3
2
R R
R R R R
Signaux de rétention = RXR
Figure 6 : Modèle hypothétique d’assemblage des canaux KATP dans le réticulum endoplasmique (d’après Heusser et al., 2006). SUR1 s’associe avec Kir6.2 et masque son signal de rétention. 14-3-3 reconnaît ensuite Kir6.2 puis masque le signal de rétention de SUR1, permettant la sortie du réticulum et l’adressage à la membrane plasmique du complexe.
L’assemblage hétérodimérique confirme l’idée selon laquelle une interaction transitoire entre 14-3-3 et les dimères SUR/Kir6.2 pourrait être un facteur clé de la rétention au niveau du réticulum endoplasmique et du contrôle qualité des canaux natifs.
D’autres facteurs modulent également la présence à la membrane plasmique des canaux KATP par des mécanismes méconnus. Par exemple, l’application de sulphonylurées permet de rétablir l’expression à la membrane plasmique de canaux porteurs de mutations dans SUR1 prévenant leur association avec Kir6.2 (Yan et al., 2004), de même que le fait de diminuer la température (Yang et al., 2005).
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