Calcineurine

INTRODUCTION

En 1976 les études sur le cerveau permettent d’identifier une nouvelle protéine qui va lier le calcium. C’est en effet à partir de ce tissu que la filtration sur une colonne de Sepharose va permettre de purifier cette nouvelle protéine qui avait des effets dit modulateurs sur l’activité d’une phosphodiestérase sensible au calcium. Il faut attendre 1979 pour avoir un nom de baptême et les premières informations sur cette nouvelle protéine découverte dans le système nerveux que l’on nomme la Calcineurine.  Cette protéine avait une capacité à lier le calcium mais aussi de réaliser une association avec une protéine déjà connue à l’époque la Calmoduline (voir fiche correspondante).

La Calcineurine

tableau séquences CalcineurinesCette protéine la Calcineurine est composée de 2 sous-unités que l’on va identifier par les lettres  A et B avec respectivement un poids moléculaire de 59 kDa et de 15 kDa. Dans un tableau récapitulatif sont indiqués les différents types de s séquences en relation avec ces deux entités dont les liens SwissProt suivants permettent de plus larges détails : Q08209  et  /P63098

 

Portrait robot CalcineurinesActuellement on parle d’une sous unité catalytique « Serine/threonine-protein phosphatase 2B catalytic subunit alpha isoform »  (=CAM-PRP catalytic subunit) et de la «Calcineurin subunit B » =Calcineurin B-like protein, CBLP)comme sous-unité régulatrice..Dans les cellules de mammifères, trois gènes codant pour la sous-unité catalytique de la Calcineurine (AIIC, CNAB et CNAG) et deux gènes codant pour la Calcineurine sous-unité régulatrice (CnB1 et CnB2) ont été identifiés (voir référence).
Le portrait-robot de ces 2 protéines avec les séquences respectives trouvées s chez l’homme donne l’organisation suivante. Pour la Calcineurine A  on identifie une large zone catalytique en position N-terminale qui possède également 2 sites distincts d’ancrage à la Calcineurine B.  Puis la partie C-terminale qui possède un rôle de régulateur contient un site d’association pour la Calmoduline et un site dit d’auto-inhibition. On aura par ailleurs des liaisons avec le fer et/ou le zinc dont l’identité des résidus en relation avec de tels métaux se trouve dans le lien SwissProt indiqué au-dessus. Pour la Calcineurine B beaucoup plus courte on a identifié 4 domaines  dits  « EF », domaines d’une dizaine de résidus qui permettent une association avec le calcium.

Association Calcineurine et CalciumL’interaction de la Calcineurine A avec la Calcineurine B est indépendante de la concentration en calcium t/ou en magnésium. C +. La Calcineurine A  est ainsi capable de former une association stable avec la Calcineurine B qui est une protéine de liaison pour le calcium. Dans la représentation suivante figure l’organisation spatiale de l’assemblage des Calcineurines A et B est schématisé ainsi que l’association avec 4 atomes de calcium.

 

 

Rôle de la Calcineurine

relation Calcineurine et CalmodulineDe nombreuses études démontrent la  capacité de la Calcineurine (complexe A et B) à réaliser une liaison avec une seconde protéine liant le calcium, la Calmoduline. On va alors parler d’un rôle concerté de la Calmoduline et la Calcineurine dans la régulation du calcium. En utilisant seulement la zone de la Calcineurine A pour une interaction avec la calmoduline des études rapportent le phénomène de permutation du domaine et différents États oligomères pour conduire à la formation du  complexe entre la Calmoduline et Calcineurine A.

conformations  inactive  et acive de la CalcineurineUn processus d’activation de la Calcineurine en présence de calcium va finalement être de mieux en mieux compris et va conduire à partir d’une forme inactive vers une forme active qui va impliquer l’association avec le calmoduline comme cela est illustré dans l’image ci-contre

Une approche de RMN du proton permet d’accéder aux  changements conformationnels des résidus de la partie catalytique de la Calcineurine pour en comprendre mieux le mécanisme d’action.
Pour autant il ne faut pas oublier que la Calcineurine est une protéine connue comme une phosphatase parmi les deux grandes familles de sérine / thréonine phosphatases (également appelée protéine phosphatase 2B). Son  principal rôle de régulateur est encore aujourd’hui émergent. Les diverses recherches définissent la Calcineurine comme étant  également une métallo-enzyme avec un une zone d’association avec 2 métaux qui sont le Fer et le Zinc. Des homologues de la  Calcineurine sont largement distribués dans différents organismes, allant des parasites, des champignons, des plantes et des invertébrés comme des vertébrés supérieurs.

Calcasde de signalisation impliquant la CalcineurineLes 2 sous-unités, catalytique et  régulatrice de la Calcineurine ont été impliquées dans divers processus comme un métabolisme neuronal, des lymphocytes T en prolifération, la suppression immunitaire par son aval du facteur de transcription NFAT (facteur nucléaire des cellules T activées), mais  également dans la régulation de Calcium par des canaux de libération intracellulaires spécifiques. Cela démontre que la Calcineurine se trouve à un carrefour de signalisation dans le cytoplasme vers le noyau de la cellule.

Un travail démontre que la Calcineurine active un facteur de transcription, par  son action en tant qu’agent de déphosphorylation.  Ainsi un facteur nucléaire des cellules T activées, NFATc  une fois activé,  est ensuite transporté dans le noyau, où il régule à la hausse l’expression de l’interleukine 2 (IL-2), qui, à son tour, stimule la croissance et la différenciation de la réponse des cellules T. On va ainsi mettre en évidence un complexe entre  CN et NFAT, comme cela est rapporté en détail dans l’article en référence. Notons que le concept de la Calcineurine en tant qu’agent de dé-phosphorylation était déjà rapporté par exemple dans un travail sur la déphosphorylation de la protéine BAD.

Un tel complexe avait aussi été  décrit comme impliqué dans la voie de signalisation qui régule la fonction et la croissance des cellules pancréatique de type Bêta. . De même complexe CN/NFAT était répertorié comme nécessaire pour la fonction et la maturation pulmonaire périnatale

Complexe calcineurines Cyclosporine et cyclophillinePar ailleurs la Calcineurine est actuellement fortement impliquée dans le stress de la membrane cellulaire et considérée comme une voie de thérapie associée avec de nombreux  médicaments. Ainsi la Calcineurine est devenue la cible de nombreuses molécules de synthèses qui vont être progressivement référencées comme des inhibiteurs spécifiques de la  Calcineurine et dont l’un des premier  étudié est  la Cyclosporine A.(voir détails et formule).

La possibilité d’avoir de tels  complexes sous forme de cristaux permet facilement d’obtenir l’organisation intime de ces associations. On va disposer, comme cela est représenté dans l’image ci-contre, l’arrangement spatial  du complexe entre CN et Cyclosporine A aussi bien que celui du complexe entre CN avec 2 produits,  la Cyclophilline et la Cyclosporine (voir détails dans l’article en référence)

Fonction de la Calcineurine

On constate alors que parmi les protéines liant le calcium la Calcineurine est sans doute la plus étudiée dans le cadre de l’hypertrophie des cardiomyocytes, la fibrose interstitielle, la progression de la dilatation, et l’insuffisance cardiaque.

De plus, plusieurs modèles d’insuffisance cardiaque ou hypertrophique semblent pouvoir être sauvé par l’administration de la cyclosporine A, un inhibiteur de la Calcineurine ou par la suppression totale de la Calcineurine. On va ainsi constater qu’un certain nombre de gènes qui provoquent un remodelage cardiaque en inhibant la voie de signalisation Calcineurine-NFAT dans les cardiomyocytes apportent des bénéfices à cette pathologie comme  l’interféron facteur de régulation de type 8 (IFR8), et/ou la Trim63, codant pour la ligase E3 spécifique de la protéine 1 dite «  Ring Finger »

Régulation musculaire par la CalcineurineCependant  il demeure que le rôle exact de la Calcineurine dans la régulation de la masse musculaire  est plutôt relativement mal compris et on peut actuellement dresser un bilan sous forme d’une illustration récapitulative présentée ci-contre pour résumer  le niveau d’implication  de la Calcineurine dans un tel processus.

Pour autant la voie de signalisation CalcineurineNFAT est impliquée dans le contrôle de l’isoforme de Myosine exprimée dans le muscle soléaire chez le rat en réponse à un entraînement.

De plus de récents travaux démontrent l’action par exemple de la Carabine qui  protège contre hypertrophie cardiaque en réalisant un  blocage de la cascade de signalisation impliquant la  Calcineurine, (Voir détails dans la référence indiquée). De même le rôle régulateur de la concentration en calcium de la Calcineurine via  le récepteur de ryanodine 1 dans les cellules musculaires lisses semble incontestable.

Ainsi à côté du constat évident que la participation active de la Calcineurine existe bien dans la cœur, Il apparait comme bilan plus général de la fonction de la Calcineurine qu’elle est une protéine à multifacettes.

Relations Calcineurine et Pathologies

10 ans après leur mise en  évidence c’est toujours les études menées dans le cerveau qui indiquent que la Calcineurine semble impliquée dans la bonne fonction du système extrapyramidal, puis quelques années plus tard dans la dégénérescence striatonigrale.
Les études pointent alors l’action plus particulière de 2 produits la Cyclosporine (CsA)  et  FK506/FKBP dont la cible principale est connue comme étant la Calcineurine comme cela est déjà illustré plus haut, mais également voir l’image du complexe avec la FK506 dans le chapitre des inhibiteurs. Puis va être découvert l’implication de la Calcineurine dans la maladie d’ Alzheimer  avec des études centrée sur l’immunoréactivité de la Calcineurine. En 2011 on trouve un bilan sur cette maladie et la relation potentielle avec l’expression de la Calcineurine.

La Calcineurine est ensuite étudiée dans sa corrélation avec la fonction mitochondriale et son implication dans la mort cellulaire des neurones. C’est alors que l’on découvre le rôle de prévention de l’hypertrophie cardiaque chez la souris dans des conditions d’inhibition de la Calcineurine  Plus largement on parle de l’ importance de la Calcineurine au cours de l’insuffisance cardiaque humaine, mais également au niveau de l‘hypertrophie du  Muscle squelettique en général.  Ainsi des travaux mettent en avant une forte corrélation  entre Calcineurine et remodelage musculaire

Puis de nouvelles approches indiquent que la Calcineurine est activée dans le diabète et est nécessaire pour l’hypertrophie glomérulaire. Puis en 2007 un travail propose un  nouvel axe thérapeutique du Diabète en relation avec la voie de signalisations impliquant la Calcineurine. Par ailleurs l’entité DSCR1, qui est surexprimé dans le syndrome de Down, apparait comme un inhibiteur des voies de signalisation médiée par la Calcineurine.

En résumé que les défauts de signalisation de la Calcineurine ont été associés à diverses maladies chez l’homme, y compris le syndrome de Down d’Alzheimer, l’hypertrophie cardiaque, le diabète sucré, les troubles de la peau, parmi les pathologies les plus étudiées. Chez la souris une corrélation est établie entre l’absence de Calcineurine et  plusieurs comportements anormaux liés à la schizophrénie.  Une telle information est plus largement reprise avec un bilan sur les vois de signalisations la Calcineurine et la schizophrénie.
Plus récemment dans les années 2010 de nouvelles données décrivent  un nouveau mécanisme pour l’hypertrophie cardiaque progressive,  avec comme chef d’orchestre  la Calcineurine.  En 2011, la voie de signalisation de la Calcineurine semble déterminante en tant que potentiel négatif sur les cellules souches du cancer au niveau des kératinocytes et plus généralement dans  la carcinogenèse. En 2012  une revue propose divers diagnostics moléculaires pour les pathologies liées à la Calcineurine, avec une illustration simplifiée résumant les voies de signalisations concernées.

Finalement en 2014, la  Calcineurine apparait comme un régulateur multifonctions: avec de nouvelles fonctions dans les réponses au stress fongiques, dans le processus de la croissance, dans la résistance aux médicaments, et dans la pathogenèse.

Calcineurine et inhibiteurs

complexe calcineurine et FKBP12Comme exemple de la formation d’un ensemble stable entre la Calcineurine et un de ces inhibiteurs largement employé figure depuis 1995 les travaux présentés sur le complexe formé entre  la Calcineurine et la version humaine de l’entité connue sous le sigle FKBP12-FK506. La zone d’accrochage de cet inhibiteur sur la formation entre Calcineurine A et Calcineurine B apparait très similaire à celle qui est susceptible de recevoir la Cyclosporine A comme cela est illustré ci-contre.

Dès 2001 on parle d’une inhibition ciblée sur la Calcineurine pour atténuer les effets de l’hypertrophie cardiaque.Un peu plus tard, on découvre des protéines inhibitrices de la Calcineurine comme la Cabine1, et/ou la protéine Cain (CAlcineurin INhibitor), notons également d’une nouvelle protéine baptisée la « Carabine » va être identifiée en 2007 comme capable de se lier aussi bien avec la Calcineurine qu’avec la protéine Ras d’où son nom (CAlcineurin RAs BINding protein).

Inhibiteurs de la Calcineurine et maladies autoimmunesUn travail propose de dresser un Tableau récapitulatif des diverses pathologies qui présentent actuellement une  utilisation d’inhibiteurs de la Calcineurine comme approche thérapeutique. On rapporte par ailleurs une très large utilisation de ces inhibiteurs de la Calcineurine dans le cadre de multiples maladies auto-immunitaires depuis plus de 15 ans comme cela est présenté dans l’illustration ci-contre

De nombreuses revues proposent un résumé des connaissances actuelles sur L’efficacité thérapeutique des inhibiteurs topiques de la Calcineurine par exemple, dans le domaine de la dermatologie, pour le traitement  du psoriasis, comme thérapie pour la conjonctivite allergique, pour améliorer des stratégies thérapeutiques dans le domaine de  la transplantation rénale, etc….

Mais en 2014, on dispose d’un bilan sur les Inhibiteurs de la Calcineurine en relation avec plus particulièrement l’hypertension.

 

Avancées depuis 2015

Complexe calmoduline et calcineurineOn va mieux définir les relations entre Calcineurine et Calmoduline et en particulier réinvestir la formation du complexe entre ces 2 protéines ce qui implique plus particulièrement la partie régulatrice de la Calcineurine (résidus 381-521). Une illustration indique l’environnement spatial d’une telle association (Voir détails dans l’’article en référence).

 

 

 

En conclusion

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

A)      La Calcineurine 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 :   CALCINEURIN A; CALNA
  • Pathologies associées :  Pas de mutation décrite à ce jour.
  • Protéine : CALCINEURIN B, TYPE 1; CNB1
  • Pathologies associées : Pas de mutation décrite à ce jour.