Aquaporine-4

Introduction

Ancrage membranaire de AQPLa famille des Aquaporines comprend plusieurs membres spécialisés dans le transport de l’eau au travers de la membrane. C’est ainsi que l’on a pu dresser un portrait-robot de ces diverses protéines qui possèdent toutes de nombreuses séquences trans-membranaires qui vont ancrer cette protéine à la membrane comme présenté dans le schéma ci-dessous issu d’une  revue sur cette famille de protéines.

Dans ce schéma on représente le monomère Aquaporine  possède 6 séquences trans-membranaires (indiquées par des rectangles rose numérotés de 1 à 6). Cette protéine possède ses extrémités N-terminale et C-terminale dans la zone cytoplasmique de la cellule.

Les motifs NPA (=Asparagine-Proline-Alanine) situés dans les boucles de jonctions après les séquences trans-membranaires 2 et 5, composent la charpente du canal trans-membranaire pour l’eau (H2O).

L’Aquaporine-4 n’est pas sur-exprimée par la vasopressine comme le sont les autres Aquaporines. Elle est exprimée dans le cerveau et sa distribution est compatible avec un rôle dominant dans l’ osmorégulation. On la trouve également très abondante dans les poumons et l’estomac ce qui lui confère un rôle dans la sécrétion d’eau dans ces tissus, mais sa présence abondante dans le muscle squelettique lui fait probablement jouer un rôle dans la contraction musculaire.

Séquences d'Aquaporine-4On trouvera de nombreuses informations de séquence dans le tableau ci-dessous, en particulier sur l’Aquaporine-4, soit l’  AQP-4, qui a été clonée chez l’homme et c’est cette isoforme en particulier que l’on trouve dans le muscle 

Toutes les propriétés répertoriées dans les banques de données sont résumées dans un tableau avec le lien suivant : (P55087).

Rôle fonctionnel de l’Aquaporine-4

Les Aquaporines et plus particulièrement l’AQP4 dans le muscle est une protéine spécialisée dans la perméabilité de la membrane à l’eau.   En fait dans le muscle squelettique l’Aquaporine-4 va nécessiter au sein de la membrane une relation spécifique avec d’autres partenaires tels le complexe dystrophine et plus particulièrement avec les Syntrophines comme on va le voir dans le chapitre des partenaires membranaires de l’AQP-4.On va rencontrer préférentiellement l’ AQP-4 comme abondante dans les fibre musculaires de type rapide (fast-twich).

Tétramère d'AquaporineLes diverses organisations  des tétramères d’Aquaporine-4 (AQP4) ont schématisés au niveau de la membrane plasmique de la cellule musculaire dans un travail utilisant la Microscopie Électronique de Cryofracture (FFEM). Les tétramères d’AQP4 forment des structures particulières appelées arrangements orthogonaux. Ainsi parmi plus de 13 isoformes d’Aquaporine actuellement répertoriée une analyse des cristaux obtenus à partir d’une aquaporine de type 1 permet d’illustrer la conformation du tétramère au sein de la membrane comme cela est illustré ci-contre (voir détails dans l’article en référence).

Partenaires membranaires de l’AQP-4

 Il y a association entre des protéines appartenant  au complexe autour de la dystrophine et l’AQP-4. Une démonstration directe est l’identification de l’Alpha-Syntrophine comme partenaire essentiel. En fait le   domaine PDZ de l’Alpha-Syntrophine va  ancrer l’AQP-4 mais aussi la n-NOS à la membrane de la fibre musculaire. La  palmitoylation de la Dystrobrévine permet de restaurer la Syntrophine et l’AQP-4 dans un muscle déficient en dystrophine mais ne permet pas d’ancrer à la membrane du muscle la n-NOS. Au nivrelation AQp et complexe Dystrophineeau du  muscle squelettique et plus particulièrement dans la zone dite des T-tubules , un récent travail vient de déterminer que l’on trouve la canal pour l’eau nommé Aquaporine-4 (AQP-4).

Un schéma récapitulatif de l’ancrage à la membrane autour du « complexe Dystrophine » est présenté ci -dessous selon les données récentes de la littérature. Des informations complémentaires sur son rôle dans le muscle squelettique sont également disponibles dans un article récent

Aquaporine-4 et Pathologies

Les pathologies qui touchent   la balance de l’eau dans la fonction cellulaire présentent  une dérégulation de l’AQP-4. C’est des  atrophies neurogéniques mais également dans le cas de la maladie de Fukuyama. Mais comme déjà indiqué dans la nature des partenaires de l’AQP-4 on trouve  des anomalies de distribution immunocytologique de l’AQP-4 dans un muscle. Ceci a bien sur des répercutions sur la  perméabilité à l’eau de la membrane du muscle de la souris mdx (déficiente en Dystrophine). Cependant il faut noter que dans la plupart des  dystrophies musculaires humaines il y a altération de l’expression de l’AQP-4 .On note ainsi une  différence de la distribution de l’AQP-4 versus l’AQP-1 entre les cas de Dystrophinopathies ou de Dysferlinopathies (voir les chapitres correspondants). On notera également une réduction sévère de l’AQP-4 dans les cas de Sarcoglycanopathies comme dans les Dysferlinopathies déjà mentionnées. Ainsi le  tandem Syntrophine-Dystrobrévine joue un rôle important tant pour la distribution de l’AQP-4 que pour la distribution de la n-NOS au sein de la membrane du muscle. dans les cas de pathologies neuromusculaires humaines. Du fait de son efficacité dans la régulation de l’eau et l’homéostasie des ions dans l’espace extracellulaire qui dépend de sa distribution spatiale dans les astrocytes, la répartition différente des formes d’ Aquaporine de type 4, (AQP4) dans les échantillons de type IIB FCD (focal cortical dysplasia (FCD) = Dysplasie corticale focale) peut modifier le contrôle de l’homéostasie des fluides et le fonctionnement régulier des cellules neuronales.

On note par ailleurs que le déficit en AQP-4 provoque un changement dans l’architecture de la cellule gliale périvasculaire sans perturbation de la barrière hémato-endothélial. Toutes ces raisons font donc de l’Aquaporine-4 une cible nouvelle pour lutter contre ces diverses pathologies.

  • En résumé une revue sur la caractérisation de l’ Aquaporine-4 dans le muscle et dans les dystrophies musculaires se trouve répertoriée dans une récente revue.

Mise à jour récente (depuis  2011)

Un bilan  bibliographique sur l’AQP4 est disponible en relation avec les pathologies dépendantes. Plus récemment, (Mai 2011), en utilisant des souris sans Aquaporine, « dites AQP4-nulle », un groupe de recherche  analyse l’effet de cette absence d’AQP4 sur la morphologie et la composition en protéines du sarcolemme ainsi que sur le protéome de son muscle squelettique déficient en AQP4. L’analyse en immunofluorescence  montre que l’absence d’AQP4 ne perturbe pas l’expression et la localisation cellulaire des protéines appartenant au complexe Dystrophine-Glycoprotéine, en dehors de ceux appartenant à la matrice extracellulaire, et aucune modification n’a été trouvée dans l’intégrité du  sarcolemme. Ensembleces résultats suggèrent que l’AQP4 est cependant  à considérer comme un déterminant annexe dans la régulation du métabolisme du muscle squelettique et il permet de mieux définir le rôle de cette voie des molécules d’eau dans la physiologie du muscle squelettique.

 

Modéle d'ancrage membranaire de l'AQPUn nouveau type d’ Aquaporine a été découvert chez  D. discoideum. Ce nouveau type d’ AQP a été cloné sous la référence AqpB. Cette petite protéine d’environ 30 kDa possède 6 séquences trans-membranaires numérotée de 1 à 6. Cela implique des tronçon de la séquence totale qui forment des boucles situées dans le cytoplasme de la cellule et/ou disposées dans la zone de la matrice extracellulaire. Ces boucles sont codifiées de A à E tandis que les 2 extrémités N-terminale et C-terminale sont localisée dans le cytoplasme cellulaire.  Une illustration schématise cette disposition comme présenté ci-dessous (Voir également détails dans l’article indiqué).

Localisé dans la boucle “D” le résidu Tyrosine Y216 (voir schéma ci-dessus) se présente comme un résidu clé pour permettre un bon fonctionnement du canal H2O. . (détail dans la référence indiquée).

  • Une description détaillée de l’induction de l’Aquaporine-4 dans les astrocytes est disponible dans la référence indiquée
  •  L’utilité des anticorps spécifiques dirigés contre l’aquaporine-4 (en particulier celui baptisé « AQPA-Ab »), est utilisé chez les patients atteints de NMOSD («NeuroMyelitis Optica Spectrum Disorders »).
  • Une technique de plasmaphérèse  suivie d’une Thérapie dite IVMP permet d’éliminer  efficacement des anticorps anti-AQP4 . Ce traitement est  accompagné d’une amélioration substantielle de la déficience neurologique des patients atteints de NMOSD.
  • Il existe une séropositivité pour les  anticorps anti-Aquaporine-4 chez les patients atteints de « myasthénie gravis ».
  • Un travail de recherche rapporte une mauvaise localisation de l’ AQP4 qui précède des crises chroniques de l’épilepsie dans le modèle kaïnate du lobe temporal. (Voir détails dans l’article en référence)
  • La contribution des cellules gliales et des canaux spécifique pour l’eau « Aquaporine-4 » dans le cas de la neuropathologie de l’arrêt cardiaque est encore ignoré ; c’est le commentaire général que font les auteurs de l’article en référence.
  • Il existerait une relation temporelle entre l’aquaporine-4 et la protéine gliale fibrillaire du cervelet de rats chez les nouveau-nés comparés à des adultes auxquels on administre du venin d’araignée. (plus de détails sur cette perturbation de la BBB (blood brain barrier) dans le travail en référence.
  • Il est fait mention d’une fonction immunologique de l’aquaporine-4 sur un cerveau de souris suite à une altération par un  coup de poignard, de concert avec un inducteur de cytokines pro-inflammatoires, l’ Ostéopontine.
  • On observe un rôle important de l’Aquaporine-4 dans l’expression post-traumatique dite syringomyélie.
  • La pertinence clinique du niveau d’expression sérique de l’anticorps anti Aquaporine-4 est particulièrement évidente dans le cas d’une Neuromyélite Optique.
  • Il est enregistré qu’une inhibition de l’aquaporine-4 augmente significativement le débit sanguin cérébral régional.
  • Le produit référencé comme méthotrexate est une alternative à l’azathioprine dans les troubles du spectre des Neuromyélites optique qui présentent des anticorps anti- Aquaporine-4.
  • L’ expression de l’ Aquaporine-4 contribue à la diminution de la teneur en eau du cerveau pendant le développement postnatal de la souris.
  • Il y a une régulation négative du canal pour l’eau (=Aquaporine-4)  chez le rat atteint d’ Encéphalomyélite auto-immune expérimentale induite  par la protéine basique de myéline.
  • L’administration systémique de Lipopolysaccharides augmente l’expression de l‘Aquaporine-4 au niveau de la glande  hypophyse antérieure chez le rat.
  • Une récente découverte fait état de l’existence de ligands qui sont des peptides spécifiques pour s’associer avec les anticorps  anti-Aquaporine 4.
  • On peut maintenant suivre des anticorps anti-aquaporine-4  radiomarqués et obtenir des  imageries pour le complexe  anticorps –protéine. C’est un pas important et cela donne une méthode utile pour mieux comprendre les cas de Neuromyélite Optique.
  • Arrangement spatial de l'AQP-4De nombreuses  illustrations didactiques  de l’importance de la distribution de l’ Aquaporine de type 4 dans la rétine sont maintenant disponible dans la référence indiquée.  On y trouvera une nouvelle illustration pour la séquence de la protéine elle-même  l’arrangement spatial d’un monomère et une schématisation possible pour la formation du réseau de tétramère susceptible de piéger les anticorps spécifiquement dirigé contre AQP4 (antiAQP4). De nombreux autres détails sont à consulter dans l’article indiqué,  et seule l’architecture du monomère comportant les zones hélicoïdales trans-membranaires est représentée  ci-dessous.

Plus particulièrement dans le muscle, le Transport de l’eau par le canal  AQP4-dépendant,  joue un rôle fonctionnel dans les adaptations induites par l’exercice musculaires squelettiques. Mais aussi récemment, la régulation de la polarisation de  l’aquaporine-4 est mise en évidence via les péricytes au niveau des astrocytes corticaux chez la  souris.

Nouvelles Avancées depuis 2015

4 rôles clé pour AQP dans la celluleUne perte de la localisation de la protéine « AQP4 » avec perte de l’immunoréactivité du β-Dystroglycane peut provoquer un œdème cérébral suite à  une hémorragie intracérébrale.Plusieurs revues de la littérature font la critique du statut de marqueur sérologique de neuromyélite optique pour les anticorps anti-Aquaporine-4

Une revue en particulier offre un guide pour le diagnostic précoce des troubles auto-immunes associées à neuromyélite optique en corrélation avec l’aquaporine-4 et ses anticorps spécifiques.

Les Aquaporines 4 sont ainsi décrites comme impliquées dans la bonne   fonction des astrocytes et leurs altérations seraient responsables de troubles neuropsychiatriques. Le dogme actuel est donc de considérer que des rôles clés sont à associer avec la fonction des Aquaporines dans la biologie des tumeurs. Un schéma récapitulatif, présenté ci-dessus, illustre en 4 chapitres l’implication centrale des Aquaporines dans l’évolution d’un cancer.

On va donc bien considérer actuellement les Aquaporines comme des biomarqueurs fiables pour diagnostiquer une  neuromyélite optique.

AQP4 et zone conservéesPuis un nouveau travail détermine les mécanismes moléculaires qui conduisent à  la relocalisation induite de l’Aquaporine-4 (cas de la tonicité musculaire rapide). Pour mieux appréhender les analyses versus la kinase PKA et son rôle avec la forme AQP4, une illustration indique la localisation sur la séquence primaire ancrée dans la membrane des diverses mutations analysées ainsi que la distribution précise dans la séquence des zones conservées de 3 résidus NPA. Seulement une phosphorylation sur le résidu Sérine 276 permet une relocalisation de l’AQP4 à la membrane.

Des cellules T réactives dirigées contre l’anticorps Aquaporine-4  sont suffisantes pour induire chez le modèle animal de la  souris une  Neuromyélite optique (Neuromyelitis Optica  = NMO). La suppression de l’Aquaporine-4 joue le rôle de Neuroprotecteur pendant la phase aiguë suite à des  micros lésions cérébrales traumatiques chez la souris. L’Aquaporine-4 est capable de réguler la vitesse et la fréquence de propagation de  la dépression corticale propagation chez les souris. Enfin on va mieux définir l’Aquaporin4:comme un nouveau biomarqueur permettant de diagnostiquer efficacement les cas de  Neuromyélite optique séronégative.

En fin 2016, les facteurs déterminant de  la densité des molécules d’AQP4 un canal pour H2O se situe à l’interface avec les vaisseaux sanguin au niveau du cerveau.  Ce travail porte sur le cerveau de la souris et implique l’alpha Syntrophine comme partenaire nécessaire.

En 2017, cet intéressant travail apporte la preuve pour suggérer un rôle crucial  du canal aquatique (AQP4) quant à son organisation supramoléculaire au niveau membranaire comme étant un élément clé en particulier pour les nouvelles isoformes. La démonstration est faite ans ce travail pour une expression dans les tissus d’isoformes supplémentaires et nouvelles  du canal  AQP4 , caractérisées par un C-terminal spécifique. Cela a pour conséquence une réduction du rassemblement des canaux AQP4 et favorise les interactions avec les Syntrophines. Ce nouveau mécanisme de régulation pourrait avoir  des implications pathophysiologique importantes dans des conditions pour lesquelles des alternances ont été rapporté dans la structure AQP4. ’extension C-terminale représente 29 résidus supplémentaires et l’isoforme passe de 35 kDa à 38 kDa une illustration résume cette situation et la localisation des anticorps spécifiques de chacune des extrémités C-ter pour le canal AQP4 normal et étendu respectivement.

En conclusion

Pour suivre l’évolution des connaissances sur l’ Aquaporine de type 4 il existe des banques de données récentes qui sont  automatiquement mises à jour qui répertorient :

A)     Aquaporine 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).