Ankyrines

INTRODUCTION

Depuis un certain nombre d’années autour de la période 1950-1970  des études concernaient t les globules rouges et  identifiaient  cette cellule comme riche en protéines bien spécifiques en particulier en rapport avec une pathologie concernant une maladie héréditaire, la sphérocytose héréditaire.  Durant l’année 1975 une étude sur les cellules éptithéliales de mollusque rapporte pour la première fois l’existence au niveau de l’appareil membranaire d’une nouvelle découverte pour une nouvelle protéine avec des poids moléculaires apparents de 230.000 et 250.000 daltons. Cette protéine unique, distincte de tropocollagène ou de divers composants musculaires, a été alors nommé Ankyrine en raison de sa fonction d’ancrage en forme de crochet dans la cellule. Puis  il faudra attendre l’année  1985, pour que des études concernant le globule rouge et plus particulièrement des proteins constitutives de la membrane du globule rouge permettent d’ identifier sous le nom de globine des proteins capables de stabiliser cette infrastructure et on les impliqua par la suite aussi dans la morphogénèse des neurones. Puis on va constater  sous la forme Alpha (de taille environ 260 kDa) et sous la forme Bêta (PM= 237 kDa) que ces  deux  isoformes d’une même protéine sont structurellement proches des protéines déjà décrites précédemment comme les Ankyrines.

Les Ankyrines

séquences des AnkyrinesProgressivement ces protéines prirent comme sigle les 3 premières lettres de leur nom de baptême ANK et furent au fur et à mesure de leur identification numérotée 1, 2 puis 3, seule formes actuellement connues. Un tableau récapitulatif suivant résume les données de séquences sur les Ankyrines et on pourra trouver plus de détails sur les liens SwissProt respectivement pour les formes ANK 1, 2 et 3 : P16157Q01484 : Q12955.

Portrait robot de l'Ankyrine1Pour ce qui concerne la forme décrite dans les érythrocytes on trouve une étude pionnière qui rapporte plusieurs informations et qui date des années 1990 avec des détails au niveau des érythrocytes  sur la forme la plus courte, la forme ANK-1. En particulier cette forme ANK-1 possède 23 répétitions consécutives d’environ une trentaine de résidus dans sa partie N-terminale, et son portrait-robot figure ci-contre.

Si l’ Ankyrine -3 possède également 23 répétitions ANK la version Ankyrine 2 en possède 24. Progressivement l’arrangement de ces zones répétitives ANK sera déterminée et on aura une allure générale dans l’espace d’une telle organisation

Les partenaires de l’ Ankyrine

Mais dès 1984 on va également définir la globine, maintenant référencée comme étant l’ Ankyrine au sein des muscles striés avec comme rôle d’être la protéine réceptrice des Spectrines pour une association membranaire. Puis finalement des données justifiant la liaison des Ankyrines avec les Spectrines que ce soit au niveau de la membrane de l’érythrocyte que celle de la  cellule musculaire. Puis finalement des données confirment et justifient la liaison des Ankyrines avec les Spectrines que ce soit au niveau de la membrane de l’érythrocyte que celle de la  cellule musculaire. Le contrôle post-traductionnel de la membrane et du squelette est un ensemble de processus sous l’influence du couple de protéines que forment l’ Ankyrine et le complexe des Spetrines Alpha et Bêta durant  la myogenèse précoce. La répartition des canaux pour le sodium  et des Ankyrines  au niveau de la jonction neuromusculaire est complémentaire à celle des récepteurs de l’acétylcholine et de la protéine de 43 Da .

En 1990,  il est clairement déterminé que c’est la distribution des sous-unités Alpha1 et Alpha2 du récepteur de la dihydropyridine qui au niveau des triade du muscle squelettique se trouve à proximité des Ankyrines. Puis en 1992, il y a réévaluation de la pathogenèse de la dystrophie musculaire de Duchenne avec une relation des flux de  calcium revisité en fonction de la distribution des Ankyrines et de leurs voisinages protéiques associés.

Il faut attendre l’année 1993pour mieux comprendre l’organisation générale des Ankyrines. Il y a en partie N-terminale une portion d’environ 90 kDa contenant l’ensemble des répétitions ANKs dont le rôle est une association avec les lipides membranaires. Puis fait suite une portion d’environ 62 kDa qui sera spécialisé pour une association avec les Spectrine. Enfin la partie C-terminale comprend une zone d’environ 55 kDa dont le rôle est de réguler l’organisation de le structure et les interactions tandis que l’extrémité C-terminale donne une relative spécificité pour chaque isoforme car cette portion est le site d’épissage variés. Ce travail concerne plus particulièrement comme exemple les transcrit du gène de l’ Ankyrine présent dans les érythrocytes.L‘échangeur cardiaque pour le sodium et/ou le calcium est en relation de voisinage avec les Ankyrines au sein du cytosquelette de la membrane cellulaire comme le rapporte le travail en référence.

Distribution de l'Ankyrine dans le globule rougeDans cette autre analyse c’est la relation de l’ Ankyrine et de la protéine constitutive dite de  la bande-3 qui est confirmée comme interagissant avec l’ Ankyrine au niveau des globules rouges humains. Pour clarifier la situation de l’organisation membranaire autour de l’ Ankyrine plus particulièrement au niveau du globule rouge une illustration la plus récente (2016) permet de visionner l’anatomie de cette agencement particulier comme cela est illustré ci-contre.

La forme Ank3 (spécifique de l’ Ankyrine épithéliale), est  un nouveau membre largement distribué de la famille du gène Ankyrine et représente  la principale forme d’ Ankyrine dans les reins. Elle va être exprimée sous diverses formes suite à des épissages alternatifs spécifiques, non seulement pour sa partie C-terminale mais également pour le domaine N-terminal  comprenant l’ensemble des  répétitions ANKs.

En 1997, au sein du muscle cardiaque est identifié une protéine avec comme sigle CARP qui possède des répétitions ANKs et dont  la localisation génique est précisé dans le travail en référence. Par ailleurs, l’analyse des distributions en trois dimensions de respectivement l’ Alpha-Actinine, l’ Ankyrine et Filamine au cours du développement de cœurs des Axolotls normaux et mutants cardiaques est analysée en détail dans le présent travail. (Ambystoma mexicanum)

Des versions de petites tailles résultantes d’un épissage alternatif du gène codant pour la forme de l’ Ankyrine 1 se trouvent associées associés au réticulum sarcoplasmique du muscle squelettique chez les mammifères. La distribution subcellulaire des Ankyrines dans le développement du cœur chez la lapin est clairement analysée en relation avec la distribution membranaire de l’échangeur sodium/calcium. Il y a accumulation de transcription pour l’ Ankyrine musculaire ce qui révèle une activation locale des myotubes primaires pendant la morphogenèse musculaire, avec une compartimentation de leur site d’expression bien définie

Puis l’année suivante c’est la mise en évidence définitive chez l’homme de l’existence d’un promoteur alternatif spécifique permettant l’expression d’une isoforme tronquée  du gène codant pour l’ Ankyrine 1au niveau du muscle. Dans ce travail original il est déterminé que l’ Ankyrine est associée à la membrane post-synaptique et au réticulum sarcoplasmique dans la fibre musculaire squelettique. On parle alors de l’ Ankyrine de forme G. Le contrôle de l’expression de l’ Ankyrine au niveau  cardiaque est régulé quant à son nombre de répétitions ANKs par des voies régulatrices distinctes dans le cas de la carcinogenèse chez les animaux comme la souris et le rat. La forme B de l’ Ankyrine est nécessaire pour le tri intracellulaire des protéines structurellement diverses impliquées dans l’homéostasie calcique.

Association entre Obscurine et Ankyrines au sein du sarcomèreEn 2001 un premier bilan relativement récent fait état du rôle de l‘Ankyrine dans l’organisation de ces divers domaines en relation avec la membrane musculaire. Puis en 2003 c’est l’ Obscurine qui est démontrée comme étant  un ligand pour les formes courtes de l’ Ankyrine 1 dans le muscle squelettique. Une représentation schématique permet de voir que l’ Obscurine (en rouge sur le schéma) participe à une association au sein du sarcomère avec l’Ankyrine-1 qui est elle-même pour la version courte de type 1 ancrée dans la membrane du réticulum sarcoplasmique comme cela est présenté ci-contre.

Principales isoformes de l'Ankyrine-GPuis dès 2004 les cibles de la forme Ankyrine-B pour la forme de Spectrine Bêta2-sont bien identifiées dans un  compartiment intracellulaire au niveau des  cardiomyocytes néonataux. Puis l’année suivante on dispose d’une étude sur la forme dite G de l’ Ankyrine dans le tissu musculaire est sujette à des épissages alternatifs qui contribuent  à la complexité du cytosquelette sarcolemme. L’ensemble des diverses formes d’épissages est résumée dans un schéma général ou de nouvelle couleurs sont associées avec les principaux domaines de l’ Ankyrine ainsi qu’avec les diverses insertions que l’on a identifiées sur ces différentes isoformes comme cela est présenté ci-contre (Voir détails dans l’article original).

Ce travail publié en 2006, explique l’évolution moléculaire des Ankyrines avec un  gain de fonction chez les vertébrés par l’acquisition d’un domaine pour une liaison avec  la Titine et/ou l’ Obscurine. Cette étude est complémentée par une autre revue au sujet de l’évolution des Ankyrines dont la référence est ciblages des répétitions ANKs avec divers partenaires7 c’est une étude sur le ciblage et la stabilité de l’échangeur de type 1 pour le sodium et le calcium au sein des cardiomyocytes qui démontre la nécessité d’une  une interaction directe avec l’adaptateur de la membrane que représente la forme B de l’ Ankyrine. Un schéma général de la zone des répétitions ANK permet de définir précisément les zones répétitives concernées pour une association avec divers partenaires comme cela est illustré ci-contre

Ankyrine 2 épissage et implictions physiologiquesUne année plus tard c’est une cartographie précise du site de liaison sur les petites formes de l’ Ankyrine 1 pour l’ Obscurine qui fait l’objet d’une étude dont les détails figurent dans la référence indiquée. Puis en 2008, une autre étude tente de mettre en évidence un mécanisme clé pour la diversité fonctionnelle de la forme B de l’ Ankyrine en étudiant plus particulièrement les divers types d’épissage que l’on découvre selon les types cellulaires pour la forme dite Ankyrine-2et un schéma directement issu de ce travail figure ci-contre.

En 2010 de nouvelles données implique les Ankyrines dans la régulation des  canaux dits « K(ATP) » comme le montre les résultats présentés dans l’article en référence, ce qui à l’inverse, si une augmentation du métabolisme cellulaire provoque une augmentation du rapport ATP/ADP ce qui conduit à la fermeture du canal potassium(ATP), il y aura  dépolarisation membranaire et  stimulation de l’activité électrique des cellules de manière contrôlée par les Ankyrines.

Ankyrine G et ses partenaires dans le muscleEn 2011, les diverses voies de signalisations impliquant les Ankyrines sont étudiées quant à la régulation induite sur les transporteurs des ions au sein du muscle cardiaque. Un schéma récapitulatif inclus dans ce travail place précisément les zones d’interactions définies au long de la séquence d’un tel canal et en particulier le région sous membranaire d’interaction avec l’ Ankyrine-G au niveau du muscle cardiaque.

Ankyrine G et relation avec le canal NavLes interactions électrostatiques impliquées dans la  liaison entre l’ Obscurine et le petites formes des Ankyrines de type 1, sont analysées et modélisées tant du point de vue   biochimique que moléculaire. Mais par ailleurs une étude fait le bilan des partenaires plus spécifiquement situés autour de l’ Ankyrine G dans la région constituent le sarcomère au sein d’un muscle et cela est schématisé dans l’illustration ci-contre directement issue du travail en référence.

Séquences de 3 courtes séquences ANKRDPar ailleurs déjà en 2008 un premier bilan faisait état de la découverte d’ un ensemble de protéines qui possédaient en commun la présence de répétitions dites ANKs mais situées dans la partie C-terminale de leurs séquences respectives  et ces dernières étaient repérées  comme ayant un rôle énigmatique au sein du muscle cardiaque durant les étapes du développement. On peut à ce sujet consulter plusieurs portraits-robot de ces protéines comme cela est illustré dans l’article en référence et constaté dans le tableau récapitulatif de ces séquences que ce sont des protéines relativement courtes qui ne possèdent que peu de répétitions ANK (seulement 4).
Pour plus de détails on pourra consulter le lien Swissprot pour les exemples cités ANKRD1, ANKRD2 et ANKRD23 respectivement : Q15327 ; Q9GZV1 : Q86SG2. Pour autant on peut  également avoir un plus large éventail chez ‘homme de différentes protéines de cette famille avec le lien ANKRDs

Puis en 2012, et depuis de nombreuses année on va parler d’une nouvelle famille de protéines qui sont en relation avec les Ankyrine et qui de fait se nomment les protéines de la famille du gène   « ANKRD » (ANKyrin Repeat Domain) qui ont un rôle dans les muscle et pour certaines d’entre elles plus ou moins longues et particulièrement dans le muscle cardiaque (CARP =Cardiac Ankyrin Repeat Protein, également  dénommée ANKRD1,) par exemple , mais aussi des protéines baptisée ARPP ou  ANKRD2 ,mais parmi ces protéines figurent également des protéines avec plus de répétitions ANKs comme par exemple  PITK ou ANKRD28  (qui présente 30 répétitions ANK) et bien d’autres. Une revue permet d’avoir une idée sur ce type de protéines possédant des répétitions ANKs et de leur impact et les conséquences de leurs déficiences dans les pathologies musculaires. Une autre revue concernant plus particulièrement le cœur fait également un bilan sur ces protéines.

 

Pathologies et les Ankyrines

Dès les années 1990 il était connu que la  Sphérocytose Héréditaire  (HS), était associée à la suppression du gène érythrocytaire codant pour l’ Ankyrine humaine codée sur le chromosome 8que l’on d »signe finalement par le sigle ANK1.  Puis ce furent des études qui mirent définitivement en évidence que les mutations concernant l’ Ankyrine de type 1 étaient bien la cause majeure de sphérocytose héréditaire dominante et récessive.

Par ailleurs en 2004 il est démontré que le  syndrome d’arythmie cardiaque causé par la perte de la fonction de l’ Ankyrine-B  est en fait le résultat de mutations ciblées de cette protéine et concernent   la région C-terminale avec les sites suivants pour les résidus  E1425G,  L1622I, , T1626N,,  R1788W,,  et E1813K . Un premier bilan existe alors en 2006, pour mieux définir les paramètres électrophysiologiques qui sont en relation avec des altérations des Ankyrines pour ce qui concerne des pathologies rencontrée chez l’homme. En 2007, une nouvelle étude s’attache à bien définir le phénotype cellulaire du «syndrome Ankyrine-B » et ses variantes humaines associées à des phénotypes cliniques différents. Dans ce travail figure  un éventail d’activités concernant les altérations de la forme de l’ Ankyrine B au niveau des cardiomyocytes.

D’autre part notons qu’en 2008 il va être implique dans le développement du cancer de l’ovaire une corrélation de l’expression de la  protéine ANKRD1 comme nouveau déterminant de la sensibilité au  Cisplatine.

Ankyrine-B au sein du cardiomyocytePuis en 2009 c’est un bilan cardiaque quant à la présence et au taux d’expression des Ankyrines cardiaques qui est abordé dans ce travail aussi bien dans un tissu sain que dans un tissu malade.  Les Ankyrines sont présentés schématiquement avec  quatre domaines selon un repliement bien spécifique avec  un domaine de liaison à la membrane (MBD en jaune d’or), un domaine pour la liaison avec la Spectrine liaison (SBD en bleu ), un domaine C-terminal (CTD en vert) et le domaine dit « Death (DD en vert fluorescent). Dans le cœur, la forme de l’ Ankyrine-B cible les canaux ioniques et les transporteurs pour le sodium et le potassium Na / K ATPase (NKA), et les échangeurs calcium et sodium Na/ Ca (NCX) mais aussi le récepteur IP3 (IP3R) dans les cardiomyocytes. Il existe aussi une interaction Obscurine (obsc en jaune vif), et Ankyrine-B qui implique de plus  la protéine phosphatase 2A (PP2A) via la sous-unité PP2A B56α. Un tel ensemble est illustré dans l’article en référence et le schéma résultant est présenté ci-contre.  Puis en 2010, une nouvelle définition de l’arythmie atypique est proposée dans cette analyse avec un modèle de calcul permettant de mieux évaluer le syndrome due à un défaut au niveau de l’ Ankyrine-B. Analyse précise des profils d’enregistrements correspondant aux relargages du calcium cellulaire.

 

C’est en 2011, qu’une revue propose l’analyse et la mise à jour des données sur le rôle concernant dans le muscle squelettique sain et malade  plus particulièrement les protéines qui comportent des répétitions de type ANK et parmi lesquelles sont particulièrement analysées les protéines dites ANKRDs. Puis en 2012, une autre étude sur les Ankyrines-B dans l’insuffisance cardiaque indique que ces protéines sont identifiées comme un nouveau composant de cardioprotection métazoaires.

Relation Ankyrine-B et régulationCe travail indique qu’une inhibition de la kinase dite « CaMKII »  permet de sauver un phénotype pro arythmique dans le modèle du syndrome due à une altération de l’ Ankyrine-B chez l’homme. Au niveau d’un myocyte, l’ Ankyrine B a pour cible l’activité locale de la PP2A via une association avec la protéine B56 Alpha, Une sous-unité régulatrice de cet enzyme PP2A. Si l’ Ankyrine-B est altérée, le mécanisme de ciblage est interrompu ce qui va  favoriser l’activité de la Kinase CAMKII conduisant alors à une dysfonction électrique pouvant impliquer le récepteur Ryr2 dans le cœur. Une illustration directement issue de l’article en référence permet d’illustrer ce processus. (voir détails dans l’article original).

Mutations détectées sur l'AnkyrinePar ailleurs durant la même année, cette étude rapporte  une nouvelle mutation sur la forme de l’ Ankyrine 1 perturbe la maturation du parasite du paludisme dans les globules rouges des souris.  Et de plus une nouvelle mutation intronique entre l’exon13 et l’exon 14   dans le gène codant pour l’Ankyrine-1 provoque l’expression réduite  de la protéine, entraînant une anémie hémolytique chez la souris. Un schéma récapitulatif permet sur le portrait-robot de l’ Ankyrine de compiler l’ensemble des mutations détectées sur cette protéine.

 

 

Avancées depuis 2013

Relation Ankyrines et Dystrophine au sein du muscleEn 2013, il lest confirmé dans une large étude que l’ Obscurine est nécessaire pour que la localisation complète de la Dystrophine à la membrane nécessite la présence de l’ Ankyrine B favorisant ainsi  l’intégrité de sarcolemme. Une large illustration résume cette situation et en particulier l’arrangement membranaire de la Dystrophine et la participation de l’ Ankyrine-B pour une intégrité membranaire de qualité comme cela est schématisé ci-contre en accord avec les données de l’article en référence.

Par ailleurs une nouvelle étude démontre que la forme de l’ Ankyrine-G participe quant à elle  au remodelage des myocytes au niveau des canaux sodium du cœur dans les zones du cœur altérées par un infarctus selon une analyse portant sur le chien comme animal modèle. En fait en 2014, une autre analyse indique une distribution de l’ Ankyrine-G au niveau des disques intercalaires qui permettent de réguler l’excitabilité cardiaque in vivo.

Principales isoformes de l'Ankyrine-BPuis en 2015, une intéressante étude démontre que des altérations structurales et fonctionnelles dans le vieillissement des fibres musculaires squelettiques sont rapportées si une suppression de l’expression de la forme courte des ANKRD (shANK1) est programmée. Puis on observe finalement que la forme courte de l’Ankyrine-1 est à considérer comme une nouvelle protéine régulatrice de la SARCA1  une calcium ATPase spécifique  des réticulum  Sarco (Endo) plasmique dans le muscle squelettique Cette nouvelle analyse permet de mieux définir l’identification et la caractérisation de deux isoformes  de l’ Ankyrine-B au niveau du cœur  chez les mammifères. Un schéma récapitulatif illustre les diverses formes de l’ Ankyrine-B tant sur le plan de la taille de la protéine que sur le nombre et l’épissage des exons qui conduisent à ces 2 versions comme l’indique le schéma issue de ce travail (Voir détails dans l’article original).

Ankyrine et voisinage dans le muscleEn 2016, une nouvelle conséquence dans le  diabète type-2  est une augmentation de  l’activité du promoteur de la petite Ankyrine 1 ANKRD1 au niveau  des muscles. Un mécanisme Adaptable de l’association entre  Spectrine / Ankyrine est basé sur une organisation à longue distance des membranes plasmique ai niveau de divers tissus chez les  vertébrés, comme le rapporte l’étude présenté dans cette référence. Plusieurs protéines transmembranaires sont couplées à la Spectrine avec les réseaux d’actine grâce à l’association de courtes séquences peptidiques non structurées qui ont évoluées indépendamment par rapport aux répétitions ANKs. Ces protéines, y compris des protéines d’adhésion cellulaire, les canaux ioniques et des transporteurs membranaires participent à l’intégrité membranaire et les répétitions ANKs de l’ Ankyrine est en interaction d’une part  avec ses partenaires de la membrane mais se trouve également est couplée à la Spectrine qui via les réseaux d’actine est étroitement associée à la membrane plasmique. Cette organisation et l’environnement protéique autour de l’ Ankyrine est présenté dans le schéma ci-contre en référence au travail indiqué plus haut. (Voir détails dans l’article original).

Distribution ANKRD1 dansle sarcomèreAinsi cette revue résume le fait que l’ Ankyrine  courte (ANKRD1) est aussi une protéine multifonctionnelle, en particulier au sein du muscle cardiaque  Un schéma simplifié permet au sein du réseau d’ Acto-Myosine représenté ici par la matérialisation d’un sarcomère d’indiquer l’environnement de l’ Ankyrine et de ses partenaires principaux au sein du muscle cardiaque (voir détails dans l’article en référence).

Augmentation du calcium dans le coeur en présence ou en absence d'Ankyrine-BUne augmentation locale de la concentration en calcium et la kinase de type CaNKII sont les acteurs d’une libération spontanée du calcium au sein d’un muscle cardiaque déficient en Ankyrine. L’absence de l’ Ankyrine B va favoriser l’impact de la forte concentration en calcium sur l’activité du récepteur  Ryr via une influence directe et d’autre part une action indirecte sue l’activation locale de la Kinase de type CaMKII. (Détails dans l’article original).

Dans ce travail c(est la forme dite de l’ Ankyrine-B qui permet une maintenance  membranaire de la Périaxine et ce contact est nécessaire pour le maintien de forme hexagonale et de la mécanique de ces cellules particulières que sont les cellules de la lentille de l’œil.

En Conclusion

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

A)      Les Ankyrines 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 : ANKYRIN 1; ANK1

Pathologies associées: SPHEROCYTOSIS, TYPE 1; SPH1

Protéine : ANKYRIN 2; ANK2

Pathologies associées: LONG QT SYNDROME 4, INCLUDED; LQT4

Protéine : ANKYRIN 3; ANK3

Pathologies associées: MENTAL RETARDATION, AUTOSOMAL RECESSIVE 37; MRT37