POPDCs

INTRODUCTION

 

Isolée en 1999 une nouvelle Protéine se trouve identifiée comme provenant d’un nouveau gène exprimé au cours du développement des vaisseaux sanguins coronariens. Cette protéine sera désigné sous le sigle de Bves (= blood vessel/epicardial substance). Puis une année plus tard la même équipe de recherche va réaliser le clonage et l’expression d’une autre protéine désignée comme « hbves » chez l’homme dont le gène est localisé sur le chromosome  6 en q21, avec un nouvel ARNm nouveau. Il se trouve  fortement conservé et exprimé dans le développement chez l’homme au niveau du coeur adulte et du muscle squelettique.

Par ailleurs une autre équipe de recherche va quant à elle isoler et caractériser une famille de gènes désignés sous le terme de « gène Popeye »  (POP) dont les protéines résultantes se trouvent exprimées dans le muscle squelettique et dans le cœur.  Le nom «Popeye» a été attribué à la
Famille de ces gènes pour refléter « l’expression e robustesse »dans ces types de muscles (squelettique et cœur). On aura alors identification de 3 gènes désignés comme POP1, 2 et 3 chez la souris dont le schéma et les portraits-robot respectifs sont présentés ci-contre avec un Dendrogramme de la famille des gènes Popeye chez l’homme (Hs), la souris (Mm) et le poulet (Gg). Par ailleurs  il sera identifié chez le poulet 6 Transcrits différents (Voir détails dans l’article en référence)

Ainsi d’une part, une revue fait le point sur les protéines Bves qui est exprimée dans les cellules du système vasculaire coronaire en développement, en particulier dans le proépicardium, l’épicarde épithélial migrant, le mésenchyme vasculaire et les cellules musculaires lisses vasculaires. Ici, nous montrons que les protéines Bves subissent une redistribution subcellulaire dynamique au cours de développement des vaisseaux coronaires. Cela fait des protéines Bves, une nouvelle classe de protéines spécialisées dans l’adhésion cellulaire  qui se trouvent exprimées au cours du développement des artères coronaires. Et d’autre part il va exister une étude approfondie sur la fonction de nouvelles protéines transmembranaires préférentiellement exprimée dans le muscle squelettique et le cœur et que l’on référence comme des protéines POP (issues des gènes dits Popeye). Une illustration compile et confronte ces deux travaux indépendants et se trouve présentée ci-contre.

Il est alors acquis que ces 2 protéines sont identiques et des anticorps spécifiques sont produits et reconnaissent l’une et l’autre comme cela est analysé rapidement dans divers travaux.  Ainsi en 2003 la topologie membranaire de Bves / Pop1A (Popeye domain-containing protein 1), sera décrite comme une molécule d’adhésion cellulaire qui affiche des changements dynamiques dans la distribution cellulaire pendant le développement.

Pour autant la systématique sera de prendre pour l’ensemble des synonymes pris pour ces protéines POPDC1, POP1 et Bves e garder ce dernier terme pour désigner ce type de protéine qui est désormais à référencer sous le sigle de BVES.

La protéine BVES / POPDC

Si dans une première systématique on n va finalement adopter le sigle BVES pour cette nouvelle protéine, il sera préféré de garder le sigle POPDC (POPeye Domain-Containing protein) pour les différents membres de cette famille de protéine et un lien permet d’obtenir plus de détails sur chacune d’entre elles chez l’homme comme l’indique la liste suivante : . Q8NE79 ;  Q9HBU9 ;  Q9HBV1. Ainsi on peut consulter le tableau suivant pour un résumé des séquences concernées.

Dès l’année 2000 on avait identifié la forme POPDC3 dans le muscle et le cœur. Et ensuite en  2004,  la version POPDC2 est découverte chez le poulet avec plusieurs versions en fonction d’épissages variés comme le montre l’illustration directement issue de l’article en référence. Cette version apparaît comme spécifique de la différenciation musculaire et se trouve exprimée dans le cœur en développement. Une illustration présentée ci-contre indique les différents épissages et les protéines résultantes des diverses version de la POPDC2.

Un portrait-robot pour la forme POPDC1 est présenter ci-contre pur illustrer l’organisation type des protéines de la famille POPDC. Le N-terminal corresponds aux 43 premiers résidus, puis on aura consécutivement 3 séquences transmembranaires d’environ 20 résidus pour se poursuivre par environ 250 résidus comprenant le domaine Popeye et une séquence dédiée à la dimèrisation entre 2 de ces protéines. Une illustration présentée ci-contre résume cette disposition ans un portrait-robot type produit avec la séquence de la POPDC1

 

Fonction et distribution des protéines POPDCs

À partir de 2004 les études s’accumulent en particulier sur la séquence chez le poulet de la version POP1/ BVES au cours de son expression développementale, avec plus particulièrement son expression pendant embryogenèse aviaire. On y découvre en particulier la distribution des segments transmembranaires ainsi quels zones antigéniques cibles qui ont été utilisées pour obtenir des anticorps spécifiques de références respectives D033 et B846. Une illustration présentée ci-contre permet de montrer la séquence complète chez le poulet de cette version POPDC1 et ces séquences particulières.
La même année un autre travail démontre que la version Bves s’exprime dans les composants épithéliaux de la rétine, de la lentille et de la cornée en particulier chez l’homme.

En 2005, une  revue propose un modèle protéique et les fonctions potentielles de la protéine Popdc1 / Bves. La protéine POPDC1 se trouve ainsi localisée à la membrane plasmique. L’extrémité amino N-terminale est N-glycosylée sur 2 sites et se localise dans la matrice extracellulaire puis se succèdent trois domaines transmembranaires sont présents dans les protéines Ensuite sera présent un autre domaine conservé qui est le domaine Popeye, localisé dans le cytoplasme et qui présente la plus forte homologie de séquence conservée parmi cette famille de protéines. Le motif de dimérisation a ensuite été cartographié à l’extrémité carboxyle terminale du domaine Popeye, et la dimérisation des protéines est stabilisée par la formation d’un pont disulfure. Dans les cellules migratrices, un pool intracellulaire de résidus de Golgi avec la protéine Popdc1 / Bves est présent, qui va être recruté sur la membrane cellulaire lors de la formation de contacts cellule-cellule. L’interaction des dimères de POPDC1 dans les cellules adjacentes est un scénario potentiel. À cette époque en 2004, l’interaction cytoplasmique avec d’autres potentiels partenaires n’est pas encore définie. Une illustration présentée ci-contre montre d’une part la formation du  dimère de POPDC1 et leurs participations au processus d’adhésion membranaire cellule-cellule.

 

En 2006, l’analyse comparative de la protéine BVES et de l’entité POPDC1 est reprise avec confirmation de son organisation dimérique au sein de la membrane ainsi que son rôle dans un processus d’adhésion entre cellules voisines. Une étude présente la caractérisation de son expression durant le développement chez la souris Une analyse comparative de l’expression de l’ARNm et des protéines de type POPDC1 /  (Bves) au cours du développement précoce chez l’embryon de poulet permet de bien visualiser qu’il y a absence d’expression cette protéine dans l’épicarde ou les artères coronaires et les cœurs en phase tardive. Tandis qu’une analyse en coupe  transversale d’un embryon de poulet au stade embryonnaire de 7 jours donne une confirmation de l’expression dans les  myocytes cardiaques, mais aucune présence de POPDC1 n’est observée dans la région du septum  atrioventriculaire (AVS), du tissu valvulaire, ou dans l’épicarde comme cela est illustré dans l’article en référence.

En 2007, la famille de gènes de POPDC chez le rat est systématiquement analysée avec le clonage moléculaire, et la caractérisation comme l’analyse de leurs expressions respectives  dans le cœur et les cardiomyocytes en culture. Puis c’est l’expression dans les vaisseaux sanguins et les structures  épicardiques de la protéine  BVES, qui est alors mise en évidence comme essentielle au développement embryonnaire. Son expression et alors découverte comme régularisée par la voie de signalisation impliquant GRK / EFGR.

En 2008, c’est en fait l’identification d’un nouveau domaine d’interaction intracellulaire essentiel pour la fonction de Bves qui est présenté dans cet élégant travail. Ainsi il est mis en évidence que juste après le domaine  « Popeye »  il existe une zone importante pour la dimérisation (résidus 268-275) avec les résidus  lysines 272 et 273 qui jouent un rôle essentiel pour une homodimérisation et aussi pour l‘adhésion cellulaire. La protéine BVES est maintenant définie comme capable d’interagir directement avec la protéine GEFT et contrôle la forme cellulaire et le mouvement par la régulation de l’activité de Rac1 / Cdc42. Ce travail implique la production de nombreuses protéines recombinantes expriment seulement des segments ciblés de cette protéine. La même année, c’est un modèle d’expression de PPOPDC2 qui est proposé  pendant l’embryogenèse de la souris et chez l’adulte, avec de nombreuses illustrations sur les différents stades du développement.

En 2009, il est réalisé un premier bilan des connaissances acquises sur les protéines BVES/POPDC et cela 10 années après leurs découvertes respectives. En particulier le bilan concerne la relation entre cette protéine et l’entité active du facteur d’échange de nucléotides guanine ( GEFT = Guanine nucleotide Exchange Factor) comme cela est illustré ci-contre d’après un schéma directement issu de l’article en référence.

En 2010, une tape de la contraction musculaire met en jeu un processus de phosphorylation des chaînes légères de myosine avec intervention de RhoA ce qui implique GEF-H1. Les jonction d’adhésion cellulaires via les protéines BVES et Ocludine réalise une séquestration de la protéine GEFH1 ce qui conduit à une relaxation musculaire. Ce type d processus est illustré dans le schéma c(contre directement issu de l’article en référence. Il y a alors inhibition de la signalisation RhoA avec augmentation de Bves dans les cellules trabéculaires.
La même année une autre étude permet l’identification d’une nouvelle fonction de Bves en relation avec la régulation du transport vésiculaire.

En 2011, il est alors évident que la protéine BVES est spécialisée dans la modulation de la signalisation associée à la jonction serrée.

Puis en 2012, la modulation du stimulus cardiaque par le stress chez la souris va être démontrée comme résultant de l’intervention active des protéines possédant le domaine Popeye. Et cette autre étude démontre de plus que la protéine POPDC2 chez le poisson zèbre est nécessaire pour le développement des muscles cardiaque et squelettique. Ainsi les protéines POPDC1/2 apparaissent nécessaires au bon fonctionnement du muscle et plus particulièrement pour le nœud sinusal vieillissant. Cela est illustré en détail avec un Mécanisme de modification du courant TREK-1 impliquant la protéine POPDC2 au repos et au cours d’un stress (voir détails dans l’article original).

Au niveau des  vaisseaux sanguins  la protéine Bves/POPDC régule l’intégrité de la jonction étanche épidermique via la protéine kinase C atypique comme cela est rapporté par cette élégante étude qui met en association possible une relation de la protéine BVES/POPDC avec la Claudine.

En 2013, c’est la modulation du stimulus cardiaque par le stress qui est confirmée via la protéine POPDC. En détail il est repris dans ce travail le modèle structurel du domaine Popeye du POPDC1 humain. Ce domaine Popeye est à considérer comme un domaine pour une liaison avec un nucléotide. Les acides aminés conservés sont colorés en rouge et agissent principalement autour du site présumé de liaison au cAMP. Sur la séquence primaire correspondant au domaine Popeye, les structures Alpha hélicoïdales sont indiquées comme les structures en feuillets dit bêta et la zone de liaison au nucléotide est annotée PBC (= phosphate-binding cassette) en rose/violet pale et contient les séquences de résidus donneurs de liaison hydrogènes pour stabiliser le nucléotide.

La protéine Popdc1 / Bves est une protéine associée aux caveolae qui est  impliquée dans la tolérance à l’ischémie. La protéine POPDC/BVES est en liaison avec la NDRG4 pour réguler la migration directionnelle des cellules épicardiques ce qui conduit à un dépôt autocrine de la matrice extracellulaire.

En 2014, dans le cadre d’une modélisation de la fonction de la protéine POPDC on envisage 2 processus pur expliquer le rôle de la liaison avec le cAMP. L’un serait comme un type de commutateur, avec la protéine POPDC qui en captant le cAMP active ou inactive les protéines avec lesquelles elle forme un complexe. L’exemple représenté est le cas du  canal potassium TREK-1, qui forme un complexe avec la protéine POPDC. Un changement dans la conformation de la protéine est alors favorisé par la liaison avec le cAMP. L’autre serait une sorte de prise en charge et déplacement d’un partenaire, les protéines POPDC se trouvent dans le cytoplasme ancrée à la membrane d’une vésicule et peuvent alors réguler le transport de protéines effectrices vers la membrane plasmique, ce qui peut également impliquer la Cavéoline-3, avec laquelle la protéine POPDC forme un complexe. Ces deux modèles sont présentés ci-contre en référence aussi avec les travaux sur la protéine REK-1 que la Cavéoline-3 déjà présentés.

Il est ainsi définitivement acquis que la protéine POPDC est un élément central de la signalisation via le cAMP. Cette revue propos une vue schématique des éléments de la voie de transduction du signal du cAMP dans les myocytes cardiaques. Les récepteurs couplés à la protéine G (GPCR) tels que le récepteur β-adrénergique activent les Gα provoquant une stimulation de la production de cAMP par l’adénylate cyclase (AC). D’autres GPCR tels que le récepteur d’acétylcholine muscarinique se couplent avec l’entité GαI provoquant une inhibition de l’AC. La production du cAMP est fortement contrôlée de manière spatio-temporelle. Le principal contrôle de la compartimentalisation est une dégradation rapide du cAMP par les phosphodiestérases (PDE) qui hydrolyse le cAMP en adénosine monophosphate (AMP). Les PDE sont souvent présentes à proximité de la protéine kinase A (PKA) par association avec des protéines d’ancrage de la kinase A (AKAP), qui sont responsables de la localisation de la PKA dans différents compartiments de la cellule. D’autres protéines contenant un domaine de liaison avec le cAMP (CNBD) sont les canaux activés par hyperpolarisation via des nucléotides cycliques (HCN), qui jouent un rôle majeur dans la stimulation cardiaque. Le facteur d’échange activé directement par le cAMP (EPAC) est un facteur d’échange de nucléotides guanine, qui module la protéine liée à Ras (Rap1), une petite protéine de liaison au GTP. Les protéines POPDC  représentent ainsi  une autre classe de protéines pour une  liaison avec le cAMP, qui jouent un rôle important dans le muscle cardiaque.

En 2016, la protéine POPDC est analysée pour sa fonction dans le muscle strié. En détail se trouve analysé ans ce travail la séquence canoniques de liaison nucléotidique mono phosphate (cNMP). La liaison avec le cAMP implique des motifs de séquences ultra conservés DSPE et FQVT. Une illustration permet de résumer l’ensemble des données sur cette liaison en indiquant dans une représentation spatiale les différentes séquences (alpha hélice et/ou feuillet bêta) qui forment le site d’ancrage au sein de la POPDC de ce type  nucléotide. (voir détails dans l’article original).

La protéine POPDC est également découverte  comme étant susceptible de réguler les programmes des cellules souches intestinales et la viabilité de la crypte intestinale après irradiation.
Les fonctions de Popdc1 / Bves sont analysées dans ce travail dans son rôle pour la préservation de la viabilité des cardiomyocytes tout en affectant l ‘activité Rac1 et l’ expression Bnip3.

Un modèle est alors proposé pour délimiter l’impact de  l’association de la protéine POPDC1 avec la viabilité cellulaire. Deux cardiomyocytes sont montrés chacun dans un milieu de culture dit  SFDM. Une schéma récapitulatif illustre la situation comme cela est présenté ci-contre.

 À gauche, une cellule vivante est présentée comme contenant des quantités suffisantes de POPDC1 ce qui maintient Rac1 actif avec une  GTPase suffisante pour supporter l’activation d’Akt et retenir le NFkB lié au Bnip3ce qui empêche alors FoxO3 de se lier au promoteur Bnip3. Les niveaux d’expression de Bnip3 restent faibles, les mitochondries sont intactes, et la viabilité cellulaire est préservée. Par contre à droite, c’est une cellule mourante qui possède une faible teneur en POPDC1 (cas d’un traitement avec un siRNA spécifique) dans laquelle le Rac1 est faible, alors la protéine Akt est sous-activée et le NFkB se déplace sur le promoteur du Bnip3. Cela permet la liaison de FoxO3 et conduit à l’activation de la transcription du Bnip3. Le Bnip3 nouvellement synthétisé se translate aux mitochondries et induit une lésion mitochondriale suivie d’une mort cellulaire.

 

Pathologies associée à la protéine POPDC1

À partir de l’année 2010 le fait que l’on détecte une altération des protéines POPDC3 et POPDC1 qui est associé à l’hyperméthylation du promoteur de ces protéines et se traduit par un cancer gastrique. Dans ce travail il est observé une décroissance de l’expression des protéines POPDC1 et POPDC3 73% des lignées cellulaires cancéreuses gastriques et dans 69% (POPDC1) et 87% (POPDC3) au niveau des tissus cancéreux gastriques. Les régions promotrices de POPDC1 et POPDC3 ont été hyperméthylées dans les lignées cellulaires de cancer gastrique dans lesquelles elles ont été ainsi réduites au silence. Dans cette étude, un schéma indique sur le chromosome 6 humain la localisation du locus 6q21 et présente les séquences respectives pour les formes POPDC3 etPOPDC1 respectivement (Pour plus de détails voir le document original) Une illustration présentée ci-contre résume cette situation.POPDC3, est associé à l’hyperméthylation du promoteur dans le cancer gastrique.

En 2011, il est découvert que la protéine POPDC1 dans les cellules humaines de la cornée et dans le cas d’un  cancer du côlon se trouve réduite au silence via la méthylation du promoteur dans le cancer colorectal humain. Ainsi la protéine POPDC1 régule au niveau des zones d’adhésions le processus dit de transition mésenchymateuse EMT (= epithelial-mesenchymal transition). Par ailleurs il est indiqué dans cette étude que la protéine POPDC1 est régulée à la baisse dans les cœurs humains défaillants.

En 2012, il y a confirmation pour le fait qu’une expression réduite de la protéine POPDC3 est en corrélation avec un risque élevé et une survie médiocre chez les patients atteints d’un cancer gastrique. De plus les données contenues dans cette étude montrent que les protéines POPDCs sont essentielles pour la modulation du stimulus cardiaque induit par le stress chez la souris. En particulier cela est à associer avec les études de transfert d’énergie biomoléculaire réalisées (FRET) pour une relation clé entre la protéine POPDC partie C-terminale (marquage fluorescent CFP)  et la protéine TREK  (marquage de l’extrémité N-terminale via  YFP) comme cela est indiqué dans le schéma suivant directement issu e l’article e référence.

D’autre part une expression anormale de la protéine POPDC1 est de nouveau confirmée comme  associée à une progression du cancer gastrique et à une survie médiocre dans un travail élégant qui reprend les données préalablement acquises dans c domaine.

En 2013, c’est une analyse mutationnelle et fonctionnelle détaillée qui fait l’objet de ce travail sur  la région codante du gène POPDC1 chez des patients chinois atteints de tétralogie non syndromique de Fallot. De plus  la protéine POPDC1 est définie dans ce travail comme  une protéine associée aux caveolae et impliquée dans la tolérance à l’ischémie.

En 2014,  une étude reprend et démontre qu’une inhibition de la protéine POPDC1 déclenche une transition épithéliale-mésenchymateuse dans le carcinome hépatocellulaire humain.

Puis en 2015, c’est la mise en évidence que la relation séquentielle de MEIS1 et de NKX2-5 sur le gène de la protéine POPDC1 est un mécanisme pour la régulation spatio-temporelle des amplificateurs pendant la cardiogenèse. Une illustration résume l’impact de ces 2 activateurs des protéines POPDCs  au cours du développement cardiaque. Il existe au cours du développement cardiaque une même préférence sur un site similaire pour une liaison sur l’>ADN de MKX2-5 et de MEIS1. Ainsi les 2 amplificateurs que sont MEIS1 et NKX2-5 se  lient successivement pour stimuler l’expression de POPDC2. La liaison successive par MEIS1 et NKX2-5 est un mécanisme de régulation, en effet le facteur  NKX2-5 va réprimer les isoformes de la troponine rapide dans les oreillettes. Une illustration figure dans ce travail résume la situation et est présenté ci-contre.

Ce travail bien mené démontre que la Netrine-1 favorise la migration et l’invasion cellulaire  par régulation négative de l’expression de la protéine POPDC1 dans le carcinome hépatocellulaire humain.

En 2016, il est admis comme cible thérapeutique de se diriger sur une modulation de l’expression des protéines POPDCs dans le cas du développement d‘un cancer. Puis grâce aux techniques de séquençage de nouvelle génération, un nouveau gène impliqué dans une forme de myopathie des ceintures a été identifié : le gène POPDC1. Il vient compléter la liste des gènes impliqués dans les formes autosomiques récessives (LGMD2). Cette forme prend donc le nom de LGMD2X. Le gène POPDC1 code la protéine POPDC1 qui est impliquée dans l’adhésion et la mobilité cellulaires et dans le transport intracellulaire des vésicules. Les 4 membres d’une famille chez lesquels le gène a été identifié présentaient une myopathie des ceintures associée à une arythmie cardiaque. Des anomalies dans le gène POPDC1 n’ont en revanche pas été retrouvées chez 104 personnes présentant les mêmes manifestations cliniques. Par ailleurs une nouvelle analyse la protéine POPDC1 indique la présence d’une mutation (S201F) qui provoque une dystrophie musculaire et une arythmie en affectant le trafic des protéines au sein de ces cellules musculaires. En résumé les mutations connues sur la séquence de la protéine POPDC1 figure sur un schéma compilant les données actuellement disponibles et présenté ci-contre.

En conclusion

Pour suivre l’évolution des connaissances sur les POPDCs il existe des banques de données récentes qui sont  automatiquement mises à jour qui répertorient :

A)     Les diverses POPDCs avec son lot de références historiques.

B)      Les principales maladies actuellement connues qui résultent d’une mutation ou d’un défaut dans la protéine considérée (avec des références associées).

 Protéine : BLOOD VESSEL EPICARDIAL SUBSTANCE; BVES; POPDC1

Pathologies associées : MUSCULAR DYSTROPHY, LIMB-GIRDLE, TYPE 2X; LGMD2X

Protéine : POPEYE DOMAIN-CONTAINING PROTEIN 2; POPDC2

Pathologies associées :non connue en2017

Protéine : POPEYE DOMAIN-CONTAINING PROTEIN 3; POPDC3

Pathologies associées : non connue en2017