Cavéoline-3

Cavéoline-32015-06-04T08:17:51+00:00

Introduction

Les Cavéolines sont des protéines membranaires qui forment des oligomères produisant ainsi de petites invaginations de la membrane nommées «  caveolae » (les cavéoles, signifiant en latin : petite grotte). Elles représentent des structures caractéristiques de la plupart des cellules de mammifères.

La Cavéoline la mieux connue dans un premier temps fut la Cavéoline dite « VIP21 », identifiée comme une petite protéine intégrée à la membrane des cellules Puis on a découvert une Cavéoline spécifique de la cellule musculaire sous le terme Cavéoline-M .

Les Cavéolines

Tableau de séquences de Cavéoline-3En fait actuellement on parle de la famille des Cavéolines. Il y a 4 isoformes, la Cavéoline-1 (alpha et bêta), la Cavéoline-2 et la Cavéoline-3. Le gène de la Cavéoline du muscle fut alors identifié et la classification systématique des protéines conduit cette dernière a être répertoriée comme la Cavéoline-3 . Les principales informations sur cette protéine sont rassemblées dans le tableau suivant. Un des nombreux répertoires sur  la Cavéoline-3 est consultable pour complément d’informations.  P56539

Portrait robot de la Cavéoline-3Puis si la Cavéoline-3 est bien répertoriée comme présente au sein des muscles cardiaque, squelettiques et lisses il fut indiqué que  la Cavéoline-3 était co-distribuée avec le DAPC, le complexe macromoléculaire formé par la Dystrophine et les protéines-associées. Cependant il fut mis en évidence qu’il  n’y aurait pas association directe de la Cavéoline-3 avec le complexe DAPCPour autant avec les informations disponibles un portrait-robot de la protéine a pu être établi en se  basant sur les données obtenues par l’étude de la Cavéoline-1  ( voir article correspondant ).

 Sur les 151 résidus constituant la séquence primaire de la Cavéoline 3 on repère une séquence trans membranaire ainsi que des régions dont le rôle est impliqués soit dans une forte association avec les phospholipides membranaires soit avec une autre Cavéoline pour former des dimères et même des oligomères qui vont se situé à la périphérie de la zone dite cavéolaire de la membrane. La particularité de la zone transmembranaire est sa forme en fer à cheval qui lui permet de s’ancrer mais pas de traverser la membrane. La séquence primaire est indiquée avec en particulier la position sur la Cavéoline-3 de résidus tryptophanes (W) et de résidus Proline (P) que l’on retrouve dans les séquences de la Cavéoline-1 et de la Cavéoline 3 respectivement.

Une nouvelle étude permet de mieux comprendre l’organisation spatiale de la Cavéoline comme cela est indiqué dans l’article en référence pour la Cavéoline 1 chez la souris et une analyse comparative permet de donner le schéma possible pour la Cavéoline-3 humaine comme cela est illustré dans le schéma ci-contre. Les codes couleurs sont ceux utilisé dans le portrait –robot de la Cavéoline-3. On note la présence sur la Cavéoline 3 et la Cavéoline 1 mais absente sur la Cavéoline-2 d’une nouvelle zone située entre les résidus 37 et 40 qui forme le motif dit « SUMO » composé de la séquence consensus V/I/L –K –x –D/E,  tandis que la portion 55-72 forme une Alpha-Hélice.

Organisation et dimérisation de la Cavéoline-3En 2014 les résidus 106, 116, et 129 qui sont des cystéines sont identifiés comme les cibles d’une palmitoylation permettant un meilleur contact avec la membrane. Au niveau de la membrane cellulaire la partie Trans membranaire de la cavéoline-3 lui permet de s’ancrer sur la membrane et sa partie C-terminale de former un contact serré avec la membrane. De plus l’exposition sous membranaire de la zone d’assemblage permet de former des dimères de Cavéoline-3 qui peuvent éventuellement donner une oligomérisation avec parfois comme cela est illustré dans le travail en référence des contacts C-terminaux qui favorisent la formation de chaîne de dimère de Cavéoline-3 au log de la structure d’une cavéole.

Cavéoline-3 et Partenaires

Depuis sa découverte la Cavéoline-3 présente de multiple association avec des protéines cytoplasmique et membranaire impliquées dans l’organisation et la vie de la cellule musculaire. Chronologiquement on va découvrir des associations entre Cavéoline-3 et les protéines suivantes et les implications que cela entraînent :

Dans les muscles striés, la Cavéoline-3 est  associée aux T-tubules , durant la différentiation musculaire, avec une association forte pour la  Phosphofructokinase-M. La Cavéoline-3 fut progressivement trouvée dans tous les muscles en interaction avec la nNOS ( Nitric Oxide Synthase ). Dans ce cas particulier l’assemblage de la Cavéoline-3 native serait impliqué dans une cascade d’interaction qui indique l’importance de la dimérisation des cavéoline-3 et la possibilité de dégradation des Cavéolines qui entraîne une perte de l’association avec la protéine NOS. L’association avec NOS et son rôle au niveau des cavéoles, .ainsi que la zone ciblée pour ce type de contact et la mise en évidence du domaine d’assemblage inhibiteur qui correspond à la zone de dimérisation des Cavéolines.

distribution membranaire de la Cav-3Il existe bien d’autres associations de la Cavéoline-3 dans le muscle comme par exemple : l’extrémité C-terminale du  Bêta Dystroglycane,  la protéine sarcolemmique ancrée à la membrane  :  la Dysferline,  et le rôle de la Cavéoline-3 serait de  réguler l’endocytose nécessaire à la réparation de la membrane.

Une évidence pour une association avec le complexe d’échange sodium-calcium dans le muscle cardiaque.  Une interaction avec les récepteurs de l’Angiotensine dans le cas précis rapporté dans le travail en référence. La cavéoline-3 favorise avec la  SAP97 un complexe d’amarrage pour le  canal potassique voltage-dépendant Kv1.5. Il y a diminution de la  Junctophiline de type 2  qui est associée à la cavéoline-3 dans les cas d’hypertrophies de Cardiomyopathies dilatées. De plus on va trouver la cavéoline-3 associée avec une  population de récepteurs à la  Ryanodine située en dehors des triades . Une implication Durant la formation d’un complexe multipartenaire avec l’Annexine-5 au niveau du Cœur. Une relation Cavéoline-1 et Cavéoline-3 dans le Cœur avec une interaction différentielle pour les formes Alpha et Bêta de la p38MAP Kinase. Il a également été décrit une association entre la  cavéoline-3 et la Desmine . Enfin un récent travail de recherche démontre la colocalisation de la Cavéoline et d’un canal calcique spécifique ubiquitairement exprimé connu sous le sigle  TRPC1  (Transient Receptor Potential Canonical 1) ce qui permet de mieux appréhender les voies de signalisation mises en défaut dans les déficiences en cavéoline-3. Par ailleurs. La cavéoline-3 serait capable  de réguler l’expression de la Myostatine  ce qui impliquerait une absence de régulation négative sur la capacité du muscle à prendre du volume (théorie développée dans cette mini revue).

Potentiels partenaires de la Cavéoline-3La présence d’un hétéro oligomère, entre   cavéoline-1 et Cavéoline-3, dans les myocytes cardiaques. Une relation confirmée impliquant la Dysferline et la protéine MG53 au cours du processus de réparation membranaire du muscle. Un impact dans la régulation des canaux Potassiques (K) cardiaques et le rôle de la SUR2A dans ce processus. Une association avec le récepteur Alpha de l’Estrogène et son implication dans la régulation de la phosphorylation de la Connexine-43 au niveau du Cœur. La mise en évidence d’un contact direct entre Connexine-43 et Cavéoline-3. Dans les myocytes cardiaques une association avec le récepteur de la Vitamine D et son implication dans la régulation de sa localisation membranaire.   Une relation  avec la circulation cellulaire du calcium et l’implication de la protéine Triadine. Une association directe avec le canal calcique dit Cav1.1 Une illustration figure ci-contre pour indiquer schématiquement l’ensemble des potentiels partenaires associés avec la Cavéoline-3 dans un muscle squelettique et/ou cardiaque.

Rôle et distribution de la Cavéoline-3

Les  caveolae  jouent un rôle dans l’organisation de la membrane et dans le transport des petits solutés. Les caveolae représentent également des  sites d’arrimages pour des protéines de signalisations dans les zones membranaires riches en lipides. Dès 1998  des travaux impliquent un rôle actif pour les Cavéolines vis à vis des voies de signalisation de l’insuline. Puis les implications de la présence de la Cavéoline en rapport avec la NOS et la régulation de la contraction autonome du cœur apparait comme essentiel au bon fonctionnement de cet organe.

Organisation heptaédrique de la Cavéoline-3Pour résumer les Cavéolines sont susceptibles de former des dimères, parfois des hétérodimères et comme illustré dans l’article suivant elles pourraient donner des arrangements  heptamèriques avec la structure des « caveolae » comme indiqué ci-dessous. En 2004 un bilan fait état du rôle des Cavéolines au niveau de la biologie de la cellule en général et sa corrélation avec la médecine.  Puis en 2005, une étude comparative met en évidence les différences entre le muscle et les fibroblastes pour ce qui concerne la distribution des Cavéolines spécifiques des muscles. La preuve de la répression par la NOS de la Cavéoline-3 et sa relation avec la Myogénine est mise en évidence.

Enfin, (Juillet 2011) il est établi que les Cavéolines peuvent être considérées comme des protéines en relation avec la Dystrophine et elles sont trouvées, pour ce qui concerne les formes 1 et 3 dans les muscles lisse et squelettique respectivement,  présentes avec une augmentation de leurs expressions dans les muscles déficients en Dystrophine qui sont en régénération. La protection cardiaque implique un rôle important des Cavéolines. Ce rôle essentiel implique la participation de l’Adiponectine dans le processus de la Cardioprotection.

L’organisation de la Cavéoline-3 et son rapport avec le récepteur de la Ryanodine (Ryr) est bien caractérisé dans le travail en référence, au niveau du muscle squelettique. Puis en 2013 une relation directe avec la canal KCa1.1 est mise en évidence dans des cellules en culture de type HEK293, tandis que durant la différentiation des cardiomyocytes c’est une interaction évidente entre Cavéoline-3 et HCN4 qui est établie. Un récent travail apporte  la preuve moléculaire et fonctionnelle de l’existence d’une   hyperpolarisation du  canal 4 spécifique des nucléotides cycliques (=Cyclic Nucleotide-Gated  Channel4 ; HCN4)  associée avec  une interaction de la Cavéoline-3. Cette étape est décrite au cours de la différenciation des cardiomyocytes à partir de cellules souches embryonnaires humaines.

Déficit en Cavéoline-3 et Pathologies

Parmi les dystrophies des ceintures   la LGMD-1C  fut corrélée avec un déficit en Cavéoline-3. Puis bien que non directement impliqué dans le complexe des protéines autour de la Dystrophine, autant chez le modèle animal   déficient en Dystrophine , la souris mdx , que chez les  patients atteints de la dystrophie de Duchenne il a été observé une augmentation significative de l’expression de la Cavéoline-3.

L’action de la cavéoline-3 sur la Dysferline serait lié à une altération de l’interaction avec  la protéine MG53 . La fusion des myoblastes fait intervenir la kinase nécessaire à l’adhésion focale ( FAK ) qui serait une protéine de signalisation capable de réguler l’expression de la cavéoline-3. Ainsi l ’hypertrophie et l’atrophie  sont des effets régulateurs opposés sur l’expression de la cavéoline-3. De nombreuses revues démontrent ainsi l’importance des « caveolae » et de la cavéoline-3 dans   les dystrophies musculaires. Mais il existe une grande disparité de la déficience en cavéoline-3 chez les patients atteints de  LGMD 2B/MM . De même il existe un impact variable des mutations sur la cavéoline-3 dans les cas de  cardiomyopathies hypertrophiques.

On répertorie ces variations sous le terme de Cavéolinopathies et on en classe alors  4 types différents. On trouve également une mutation de la cavéoline-3 qui est la cause d’une hypercapnie familiale isolée et des cas de pathologies référencées sous le terme de  RMD  (Rippling Muscle Disease) avec une forme  tronquée de la cavéoline-3.  En résumé un répertoire de ces pathologies est actuellement disponible sous le terme de Cavéolinopathies dans  l’article en référence. En 2003, c’est une mutation de la Cavéoline-3 qui permet de démonter l’inhibition de la kinase de type p38MAPK. Puis, en 2010 on dispose d’un bilan relativement récent des pathologies et des mutations corrélées sur la Cavéoline-3. Ensuite en 2012 c’est un bilan entre les pathologies cardiaques et la présence des Cavéolines qui est mis à disposition.

Mutations sur la séquence primaire de la Cavéoline-3En référence à de nombreux articles sur le sujet la séquence de la Cavéoline-3 est reprise sur l’illustration ci-contre, et on y trouve la liste des mutations répertoriées de nos jour associée au type de pathologie que cela entraine. L’étude en référence apporte la  conclusion suivante. Au cours de  l’hyperglycémie induite par PKCβ2 (= protéine kinase C de type β2) il existe une étape d’activation cavéoles. Cela s’accompagne d’une diminution de l’expression de la Cavéoline-3 (Cav-3)  dans le cas d’un cœur diabétique. Aussi une  prévention de l’activation excessive de PKCβ2 va permettre d’atténuer la  dysfonction diastolique cardiaque en rétablissant l’expression de  Cav-3, et par la suite la voie de signalisation AKT eNOS / NON  permettra une expression normale de sauvetage du système cardiaque. (Détail dans l’article en référence). La même année en 2013, une corrélation entre le syndrome dit LQT9 implique directement la Cavéoline-3 et le canal potassique Kir2.1.  Ainsi comme cela est déjà bien documenté, la Cavéoline-3 permet de supprimer le  courant sodique tardif en favorisant l’inhibition de la nitrosylation par l’intermédiaire de la protéine dite «  nNOS-dépendante S-nitrosylation = SCN5A).  Dans le travail indiqué ici des Mutations au niveau de la Cavéoline-3 (Cav-3) sont spécifiquement  impliquées dans le type 9 du syndrome du QT long (LQT9), comme dans le  syndrome de mort subite du nourrisson (SMSN).

 Les manifestations cliniques et pathologiques dans la petite enfance d’une dystrophie musculaire associée à une Lipodystrophie congénitale généralisée dite de type 4 ont été étudiées chez un jeune patient. Son cas est décrit soigneusement et les détails sont consultables dans le travail en référence. Une mutation a été identifiée au niveau du facteur de transcription dit « transcript release factor (PTRF), mutation c.696_697insC », conduisant à l’absence de ce facteur tout en conservant présent la Cavéoline-3. Cependant on va enregistrer une déficience secondaire en Cavéolines avec l’évolution et la progression de la pathologie avec l’âge.

En 2015, une élimination du cholestérol à partir de muscle squelettique adulte altère le couplage excitation-contraction et son vieillissement ce qui a pour conséquence d’une part de réduire l’expression de  la Cavéoline-3 et d’autre part de modifier l’expression d’autres protéines triadique.

 

La stratégie qui consiste à cibler la Cavéoline-3  semble une perspective à considérer pour le traitement de la myocardiopathie diabétique. Le choix d’une telle cible est relativement simple. En effet de toute évidence, la CAV3 possède une multitude de partenaires pour s’associer ce qui va influencer de multiples processus cellulaires. Un résumé sur la façon dont CAV3 peut (i) se lier à plusieurs protéines à proximité mais cependant (ii) capable de maintenir une ségrégation spatiale pour une gamme de voies de signalisation diverses peuvent être déduites de la structure tridimensionnelle que réalisent les cavéoline-3 pour s’ancrer dans la membrane. Une illustration complète la précédente et montre la zone couverte par une structure cavéolaire.

structure 3D d'un oligomère de Cav3 Cette structure montre comment les CAV3 s’oligomérisent (structure à 17 Angström)  pour former un agencement en forme de disque avec une forte densité de protéines diverses qui se plongent dans le cytoplasme.  Des études détaillées ont depuis longtemps permise d’identifier les densités cytoplasmiques que la région  N-terminal de chaque monomère de Cav3 engage avec de multiple sites de liaison pour des partenaires qui, potentiellement simultanément et indépendamment, seront impliquer pour orchestrer une variété de processus de signalisation dans la cellule. Les stratégies pour cibler spécifiquement l’expression de la Cav3 sont définies en détails dans l’article en référence.

 

En conclusion

Pour suivre l’évolution des connaissances sur la Cavéoline-3 il existe des banques de données récentes qui sont  automatiquement mises à jour qui répertorient :

A)    La Cavéoline-3 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).