Calmoduline

INTRODUCTION

Pour ce qui va concerner la liaison spécifique au sein d’une protéine pour y piéger en quelque sorte un ion calcium on va développer le concept du domaine EF. Mais cette nomenclature qui implique toujours la notion de domaine sera pourtant indiquée souvent sous le terme de « main EF». Une des premières références à cette « EF Hand » apparait dans l’étude de la troponine. En fait ce domaine est bien connu depuis les études du Prof. Kretsinger sur la protéine nommée Parvalbumine qui a été isolée dans les années 1970 à partir d’un poisson,  la carpe.

Le domaine dit :  « EF »

Le concept d’une protéine pouvant piéger le calcium  va progressivement être résumé dans une revue ou la notion de « Main EF » est définie dans le détail.

ProgressivemeSéquence primaire de la Parvalbuminent ce domaine EF sera étudié et cristallisé à partir de de la Parvalbumine de Carpe isolée et purifiée. . L’illustration suivante donne sur la séquence primaire de la Parvalbumine humaine en y incluant l’ensemble des informations présentes dans les divers articles cités plus haut. On va repérer ainsi 2 domaines EF au sein de cette séquence primaire comme schématisé ci-contre. Le motif main-EF classique, actuellement référencé comme le domaine EF,  correspond à une structure hélice-boucle-hélice d’une trentaine de résidus. Les hélices ont été nommées E et F dans cette structure et contiennent chacune dix acides aminés, ce qui justifie la nomenclature d’un tel domaine. Une image qui provient de l’analyse pionnière du cristal de Parvalbumine, zone de la protéine capable de lier le calcium est fournie dans un premier temps par le Prof.  Kretsinger lui-même

La conformation du domaine EF permet selon la disposition des hélices formant le  site d’ancrage du calcium fut alors présenté sous  la forme d’une main, dont le pouce et l’index sont tendus (les hélices l’une rouge et l’autre  verte) et le majeur est replié (boucle bleue). Cette schématisation  était alors proposée pour illustrer la fixation du  calcium dans une structure formant une poche avec 6 résidus essentiels (en gras et soulignés) qui étaient nécessaires selon un ordre bien précis qui était codifiés comme suit : (-Z)-x-x-(-Y)-x-(-X)-x-((X)-x-(Y)-x-(Z). Le calcium est au centre d’une telle structure sous la forme d’une sphère en jaune.

  • main EFPour les positions X et Y on va généralement trouver les chaînes latérales d’un résidu neutre mais cela peut être un résidu aspartique  ou de l’Asparagine.
  • La position Z est souvent un acide comme l’acide Aspartique (parfois Sérine, Asparagine).
  • Le ligand en position  –Y et/ou  –X est normalement une molécule d’eau.
  • la position  –Z est une position conserve pour réaliser une liaison du calcium avec un acide Glutamique ou Aspartique.

L’ensemble n’est pas figé et possède une relative flexibilité interne comme le montre les diverses position du pouce dans cette représentation.

La coordination pour un cation divalent fait intervenir l’oxygène des résidus acides coordinateurs ou l’oxygène d’une molécule d’eau (consulter l’article indiqué). Ces résultats furent obtenus par la RMN du proton (consulter l’article).Pour affiner cette notion il y aura progressivement des mentions sur une relative évolution concernant les protéines avec une « main EF. Ceci  impliquera une classification progressive des différents types de domaine EF. Actuellement on peut consulter la récente revue sur le concept de ce domaine particulier qu’est le domaine EF.

La Calmoduline

On va retrouver la Calmoduline dans  le contrôle d’un grand nombre d’enzymes, impliquée dans le bon fonctionnement  des canaux ioniques, mais également des Aquaporines et comme participant actif avec de multiples autres protéines en relation avec le calcium. La Calmoduline présente en effet 4 structures de mains « EF » formant ainsi un complexe dit  « complexe Calmoduline-Calcium » qui  possède 4 atomes de calcium.

séquences de CalmodulinesPour plus de détails le tableau suivant récapitule les données de séquence sur la Calmoduline humaine. On peut consulter divers détails sur la base de données suivante en relation avec trois différentes versions de  la Calmoduline Humaine P62158, Très tôt c’est dans un premier temps la séquence primaire de la Calmoduline qui permet de bien localiser les 4 mains « EF » et avec un code couleur présenté ci-contre chaque séquence capable de lier un atome de calcium est identifiée.

En 1977 on parle d’une protéine de faible poids moléculaire qui semble capable de lier le calcium. Elle apparait comme stable à la chaleur et jouerait un rôle d’activateur On la baptise AP (=, low molecular weight activator protein). Puis cette protéine est partiellement séquencée et se présente comme une protéine régulatrice qui est également structurellement homologue à la  troponine C musculaire , avec un rôle  le médiateur de la contraction du muscle sous le contrôle du calcium.

Séquence primaire de la CalmodulineEnfin en 1979 son statut est établi et l’on parle de la Calmoduline, protéine d’environ 17 kDa, stable à la chaleur et qui est définie comme une protéine  capable de lier plusieurs atomes de calcium et de jouer un rôle dans la régulation du calcium avec un large nombre de systèmes enzymatiques intracellulaires.Un peu plus tard la séquence primaire de la Calmoduline chez l’homme est séquencée en 1982. Chez l’homme la séquence nucléotidique codant pour la Calmoduline est établie seulement en 1984

Structure tridimentionnelle de la Calmoduline

Puis une meilleure définition de l’organisation de la Calmoduline et de son allure tridimentionnelle de cette courte chaine peptidique vis-à-vis de 4 atomes de calcium se trouve révélé par l’obtention de cristaux et leur analyse donne l’image présentée ci-contre en tenant compte des données les plus récentes. Voir illustration  de la Calmoduline, En effet les analyses vont se succéder et l’image de la représentation tridimentionnelle de la Calmoduline va être largement affinée avec les données cristallines obtenues à 1,7 angström.les zones de liaison avec le calcium sont au nombre de 4 et sont indiquées par des pastilles colorée en jaune.

Fonction de la Calmoduline

Depuis les années 2000, de nombreux travaux permettent d’avoir une meilleure compréhension des potentielles cibles de la Calmoduline. Ainsi la Calmoduline va être impliquée dans de nombreux processus d’activation pour un certain nombre de protéines kinases et  de phosphatases. En fait c’est une très large compétence d’association en présence de calcium  que réalise la Calmoduline dans la cellule et les cibles de liaison sont multiples et variées. Aujourd’hui on peut dresser un bilan sur cette large diversité de structures avec lesquelles la Calmoduline forme des complexes qui prennent des formes spécifiques comme cela est illustré dans la référence ici indiquée.
On va trouver ainsi de nombreuses informations sur différents types de complexes et plus particulièrement sur 6 protéines formant un complexe avec la Calmoduline et qui sont référencés pour comme suit   la MLCK,  la CaM-dépendent protéine kinase II (CaMKII),  La kinase CaM-dépendent protéine kinase (CaMPK) , le récepteur à la  Ryanodine (Ryr), La Calcium ATPase vacuolaire, (ATPase Vac ) ,  et  la protéine nitric oxyde synthase  (NOS) respectivement (voir figure N°1  de l’article en référence).

Par ailleurs, on va progressivement découvrir que les pompes de calcium stimulées par la Calmoduline qui comprennent la pompe dite «  plasma membrane Ca (2 +) – ATPase (=PMCAs), sont des régulateurs clés de la concentration intracellulaire du calcium  chez les eucaryotes. Les premières données cristallographiques sur ce type de complexe entre la Calmoduline et une pompe à calcium membranaire sont disponibles dans l’étude en référence.

signalisation calcique et Calmoduline dans la celluleUne étude sur la circulation du calcium cellulaire  et sa régulation dans le  processus  de signalisation induit est illustrée ci-contre en prenant pour exemple cellulaire  la paramécie et si des détails particuliers peuvent être consultés dans l’article en référence une implication de la calmoduline en fonction de la concentration calcique cellulaire est également mentionnée. Le modèle de la paramécie permet ainsi de mieux établir les processus de régulation des flux calciques et la participation active de la Calmoduline.

 Mais par ailleurs d’autres types d’associations sont identifiés comme avec  la Calcineurine. Ainsi en utilisant un peptide spécifique pour la liaison à la Calmoduline et présent sur la séquence de la Calcineurine A, la relation Calmoduline et Calcineurine est mieux identifiée.  Puis en 2013 les bases du processus d’activation de la Calcineurine par la Calmoduline sont clairement établies. (Voir aussi la fiche Calcineurine)

Par ailleurs, on va progressivement découvrir que les pompes de calcium stimulées par la Calmoduline qui comprennent la pompe dite «  plasma membrane Ca (2 +) – ATPase (=PMCAs), sont des régulateurs clés de la concentration intracellulaire du calcium  chez les eucaryotes. Les premières données cristallographiques sur ce type de complexe entre la Calmoduline et une pompe à calcium membranaire sont disponibles dans l’étude en référence.

Flexibilité de la Calmoduline analyse RMNDivers travaux rapportent des avancées sur la meilleure connaissance de la Calmoduline et de ses implications. Des analyses par le biais de la RMN du proton on utilisés la possibilité de muter par exemple une tyrosine (Y99E) ou une asparagine (N111D) pour mieux accéder aux bases de la dynamique d’interaction entre la Calmoduline et la protéine NOS par exemple.

Une plus large connaissance est également acquise par la maitrise de l’outil résonance magnétique nucléaire RMN comme cela est illustré ci-contre. Ainsi ces études démontrent que les distributions angulaires des orientations des 4 différents domaines de la Calmoduline qui accepte un atome de calcium,  peuvent en adoptant plusieurs conformations se révéler capable de faciliter la liaison avec  une large variété de molécules cibles.


Relation Calmoduline et pathologies

C’est en 2010 que des données sur les bases moléculaires que l’on peut corréler avec un défaut de la calmoduline dans son rôle de régulateur. Des analyses sur la Calmoduline montrent  que si un seul résidu est artificiellement muté, la Liaison entre le calcium et la Calmoduline est compromise de manière significative ou même
supprimées, en fonction du type de mutation

Mutation et pathologies associées  sur la CalmodulineUn travail démontre par ailleurs, que la Neurogranine est capable de modifier les propriétés de liaison et de structure entre le calcium et la Calmoduline.
Plus récemment dans le domaine du dépistage de mutations sur la Calmoduline elle-même on rapporte dans un premier temps une association pour un arrêt cardiaque récurrente chez les nourrissons. Puis ce sont des mutations nouvelles de la Calmoduline qui sont aujourd’hui  associés à la pathologie qui concerne une relative sensibilité à  de l’arythmie congénitale. De tels mutations sont localisée sur la séquence primaire de la Calmoduline et une illustration présentée ci-contre permet de constater qu’elles se localisent toutes dans les séquences C-terminales des 2 derniers domaines liants le calcium EF3 et EF4.

 

Nouvelles Avancées depuis 2015

On 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 et illustration dans le chapitre Calcineurine).

 

 

En conclusion

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

A)    Calmoduline  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).

  • Protéines :  CALMODULIN 1; CALM1 ; CALMODULIN 2; CALM2 ; CALMODULIN 3; CALM3
  •  Pathologies associées : Ventricular tachycardia, catecholaminergic polymorphic, 4 CPVT4