Junctophiline

Introduction

C’est dans les années 2000 que l’on va commencer à parler de nouvelles protéines résidant au sein de la membrane en relation avec l’ancrage d’élément du réticulum sarcoplasmique et qui permettent de coupler la surface de la cellule musculaire avec les divers canaux intracellulaire. On va alors parler de ces protéines sous le terme des « Junctophiline » (=JPs)

Les Junctophilines

séquences des JunctophilinesLes Junctophilines représentent une nouvelle classe de protéines avec des particularités bien spécifiques. Chez l’homme il fut progressivement mis en évidence divers gènes codants pour des sous-types de Junctophilines. Un tableau permet de résumer les informations sur les diverses protéines de cette famille dont l’abréviation retenue sera souvent  JPH (Mais parfois aussi seulement JP). On trouvera sur SwissProt des informations complémentaires sur ces protéines avec les liens suivants : Q9HDC5 ; Q9BR39 ; Q8WXH2 ; Q96JJ6 .

portrait-robot de la Junctophiline-1Un portrait-robot permet de mieux schématiser l’organisation de la structure de ces Junctophiline. Ainsi on va identifier également dans les années 2000 une courte séquence qui va se présenter bien souvent de façon répétitive au sein de certaines protéines en rapport avec des structures membranaires et qui fut définie comme capable de favoriser la liaison à la membrane avec une relative affinité pour les phospholipides. De fait, on rencontre ce motif dans les protéines de la famille des  « Junctophilines »  par exemple avec chez l’homme selon les isoformes une suite de 7 à 8 domaines dits  MORN qui correspondent à des répétitions et dont le sigle correspond à : “Membrane-Occupation-and-Recognition-Nexus ». Ainsi on parle par la suite du domaine MORN. Le schéma ci-contre représente le portrait-robot des Junctophilines (JPH). Mais comme cela est nouveau la présentation suivante sera une information plus poussée sur ce nouveau type de domaine, Le domaine MORN.

Le domaine MORN

Alignement des domaines MORN de la Junctophiline-1Cette portion de séquence souvent répétitive au sein des protéines membranaires est une séquence qui est réalisée par  seulement de 22 à 23 résidus. Cet enchainement d’acides aminés peut être comparé dans les divers   domaines MORN que présente la Junctophiline de type 1 comme le montre la relative similarité de ces zones dans l’illustration présentée ci-dessous. En rouge on indique les résidus qui sont totalement conservés quelque soit la séquence analysée.

Alignement de domaines MORN

Le domaine MORN est défini par une séquence consensus qui est bien souvent comme  la suivante avec cependant quelques variantes :  YxGx(W/F)xxxxxxGxGxxxxxxGxx

Rôle des domaines MORN

Pour autant si ces domaines « MORN » sont bien retrouvés dans l’ensemble des protéines de la famille des Junctophilines, il existe un nombre important de protéines qui sont actuellement répertoriées comme possédant 1 ou plusieurs domaines MORN.  C’est le cas pour la liste ici présentée comme divers exemples de ces protéines, on peut ainsi citer : a) Chez la Drosophile la protéine nommée Rétinophiline que l’on a également identifiée chez l’homme ; b) C’est le cas d’une protéine du riz nommée « OsPIPK 1 » qui présente une forte homologie avec la kinase dite « phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase (=PIPK) » , et dont le domaine kinase se lie aux lipides membranaires. Sa zone N-terminale se trouve posséder de multiples domaines MORN. ; c) La protéine nommée “ARC3” qui possède une forte similarité avec la kinase PIP5K ne possède pas de domaine dit catalytic mais par contre contient un domaine MORN. ; d)Un autre élément de la famille des  «  phosphatidylinositol phosphate kinases (=PIPKs) », correspondant au type 1B présente également plusieurs domaines MORN.   Cependant si de tels domaines MORN se retrouvent dans la version de la protéine dite « AtPIPK1 » ce n’est pas le cas dans les versions trouvées chez les Eucaryotes ; e) La protéine répertoriée chez l’homme comme  « TSGA2 » présente également en partie N-terminale un domaine MORN ; f) La protéine baptisée  “Alsine” (=ALS2) dont le gene est responsable s’il est défectueux de pathologies affectant les Neurones moteurs (MNDs) possède 8 domaines MORN consécutifs ; g)La protéine membranaire baptisée MORN1 que l’on identifie aussi chez l’homme,  possède comme son nom l’indique des domaines MORN ; h)La protéine dite MOPT chez la souris (au niveau des testiclues ; = MORN motif Protein in Testis) qui est identifiée chez l’homme sous le terme de protéine MORN2 possède, elle-aussi comme son nom l’indique, des domaines MORN.

Structure d'un domaine MORN de la Junctophiline-4Une représentation spatiale d’un domaine MORN a été proposée comme formé par 3 feuillets bêta relativement antiparallèles. (Voir illustration ci-dessous, Analyse d’un domaine MORN de la Junctophiline de type 4 = JPH4). Plus d’illustrations sur le lien suivant Représentation 3D du domaine MORN

  Ainsi, dans l’ensemble de ces protéines le domaine MORN se trouve impliqué dans une relation forte avec les lipides de la membrane pour  favoriser  la localisation membranaire de la protéine porteuse mais aussi parfois avec un rôle dans l’activation inductible en relation avec l’acide phosphatique (PA). Mais cependant un rôle supplémentaire pour de tels domaines MORN, parait évident en regard plus particulièrement chez les plantes, comme le rapporte en détails le travail en référence sur la surexpression de l’entité «BrMORN ». Plus largement le domaine MORN va jouer un rôle important dans la dynamique de la membrane cellulaire et donc de la cellule elle-même.

Le domaine MORN et la pathologie

La protéine MORN1  et son contenu en domaines MORN sont nécessaire pour l’assemblage du complexe au niveau de la lame basal et la perte de MORN1 aura pour résultats des défauts dans la division et la ségrégation cellulaire (détails dans l’article en référence). Le domaine MORN va permettre de réguler l’activité de la Kinase dite « Phosphatidylinositol Phosphate Kinase 1 ». Un défaut au niveau d’un domaine MORN entraîne une dégénérescence de l’axone dans le cas particulier du travail en référence. Il y a des déficits de régénération et de bon développement neuronal si les domaines MORN sont affectés.

Propriétés des Junctophilines

Arrangement cellulaire de la Junctophiliine-1Un exemple de configuration avec un ancrage membranaire est présenté dans l’illustration ci-dessous avec comme référence le travail présenté dans l’article mentionné ici.

Une étude sur l’évolution des Junctophilines et sur le motif conservé parmi tous les domaines MORN actuellement trouvés notamment avec la comparaison entre les quatre formes JPH1, JPH2, JPH3 et JPH4 est consultable sur le lien indiqué.

On va identifier les Junctophilines au niveau du muscle squelettique, mais également au niveau du cœur.  Une Protéolyse limitée mais spécifique, suite à un paramètre extérieur,  au niveau de la Junctophiline va être un facteur important entraînant une faiblesse musculaire et un  dysfonctionnement cardiaque dans une série de circonstances qui sont indiquées dans l’article en référence.

Un rôle émergent pour la Junctophiline-2 en tant que régulateur des flux de calcium dans le cœur est actuellement acquis. Ce concept est largement illustré en couleur dans l’article en référence.

 Composants moléculaires autour de la JunctophilineActuellement une JPH est une protéine résidente de la membrane du réticulum sarcoplasmique (SR-résidente),  qui s’ancre à la membrane du muscle. La protéine MG29 réside à la fois dans les 2 types membranaires, et contribue à l’intégrité de l’ensemble de la structure membranaire des jonctions ainsi qu’à la signalisation efficace du calcium. La protéine TRIC offre une possibilité de contre-courant associé à la sortie rapide de Ca2 + à travers la membrane SR. Une illustration résume cette disposition comme cela est présenté ci-dessous.

Au niveau d’un muscle squelettique il existe une interaction entre soit la Junctophiline-1 soit la Junctophiline-2 et l’ensemble dit des « L-type Calcium  Channel Dihydropyridine Receptors (DHPRs). Pour autant s’il est bien établi qu’aucune interaction directe entre TRPC3 et RyR1 n’a pu être confirmée à ce jour, la protéine TRPC1 existe cependant comme un lien physique potentiel entre TRPC3 et RyR1, car ce dernier interagit avec chacune des protéines TRPC3 et/ou  RyR1.  Il existe ainsi des  interactions spécifiques qui selon le sous-type engagé permettent une relation avec  RyR1 et TRPC3 (on a alors les complexes JPH1-RyR1 et JPH2-TRPC3). Ces résultats appuient l’hypothèse que TRPC3 et RyR1 sont fonctionnellement engagés par ces protéines de liaison,  les JPHs, dans le muscle squelettique.

 Distribution des cystéines sur la Junctophiline-1Ainsi la stabilité du complexe JPH1 et RyR1 met en jeu une relative hyperactivité de résidus Thiols. On va dénombrer 8 Cystéines réactives au sein de la protéine JPH1  dont les positions sont indiquées dans l’illustration suivante, avec cependant une absence pour 3 d’entre elles si on considère la version JPH2. Une récente revue fait le point sur les implications autour des Junctophilines et le type d’ancrage sur le  réticulum Sarcoplasmique Tout dernièrement dans la littérature sur le sujet, une étude mentionne une implication des Junctophilines dans un processus d’altération dans la transmission du signal excitation-contraction. Le fait de rendre silencieux les gènes codants pour les Junctophilines va abolir au niveau du Reticulum Sarcoplasmique les flux de calcium (Voir détails dans l’article indiqué).

Les Partenaires des Junctophilines

Chronologiquement de nombreux partenaires sont en contact avec les Junctophilines, et une liste des principales protéines se compose de : La Junctophiline de type 2 qui est associée à la  Cavéoline-3. Dans le muscle squelettique JPH1 et JPH2 sont en liaison avec le canal dit   » (DHPR)« . Une implication et rôle de la protéine Orai au niveau d’un myotubes où l’expression de la Junctophiline-1 est altéré (Voir détail dans l’article indiqué)Principaux partenaires de la Junctophiline. Dans le muscle cardiaque et le muscle squelettique on va observer une protéolyse limitée dépendante du calcium (Calpaïne endogène de type M) pour les entités Junctophiline-1 et Junctophiline-2 (JPH1 et JPH2). On va également définir un rôle essentiel pour les relations entre Junctophiline-2Calséquestrine, Triadine et Junctine (voir les fiches correspondantes sur ce site, pour maintenir l’intégrité structurelle et fonctionnelle  des dyades. (Voir fiche spécifique) On parle alors de la microarchitecture des Dyades. La Junctophiline forme un complexe avec le facteur de croissance fibroblastique de type FGF-13. Il y a formation présence de Junctophiline  dans les zones riches en récepteurs à la Ryanodine (Ryr cluster). Un schéma récapitulatif illustre ces différentes possibilités d’associations entre Junctophilines et partenaires.

Relation des Junctophilines et Pathologies

Progressivement au cours des études sur les Junctophilines plusieurs constats sont mis en évidence. Une altération de la Junctophiline au niveau du cœur va provoquer une hypertrophie des cardiomyocytes. La rupture de la relation avec la membrane des Junctophilines provoque une hyperactivité des récepteurs à la Ryanodine. Un grand nombre de mutations relevées au niveau de la Junctophiline de type 2 sont à associer avec des cardiomyopathies hypertrophiques.  (cas particulier des mutations : S101R, Y141H et S165F). Voir également les cas conservés qui sont trouvés chez l’homme. On va également détecter plus tard qu’une hypertrophie du muscle squelettique existe avec une mutation au sein de la JPH2 (Y141H). Implication de la protéine nommée Orai1 avec hypertrophie des myotubes  (voir fiche spécifique).

distribution des mutations sur la Junctophiline-2Une autre mutation spécifique de la Junctophiline-2  (E169K) va conduire à une fibrillation  atriale. Un schéma illustre les principales mutations trouvées au sein de la structure de la Junctophiline qui ont été détectées chez des patients avec une Cardiomyopathie Hypertrophique. Pour faire le bilan de la distribution de ces diverses mutations une illustration reprend le portrait-robot spécifique de la Junctophiline de type 2 et présente les diverses mutations actuellement connues.

Les patients atteints de la maladie dite de « Huntington » présentent des altérations impliquant les Junctophilines. Cela se traduit par une altération (extension) au niveau de la forme de Junctophiline de type 3 JHP3 et la maladie dite de type « Huntington disease-like 2 ».

De même, au niveau de la JPH3 on a identifié le syndrome dit «akinetic-rigid syndrome » avec une démence sévère associée chez une famille Africano-Américaine de 5éme Génération. De plus la perte totale de la Junctophiline de type 3 est directement corrélée avec cette pathologie dite «  Huntington disease-like 2 ». Chez la souris déficiente en Junctophiline-3 il y a dis-coordination des muscles

 On va observer une diminution du contact entre la Junctophiline-3 et la cavéoline-3 dans les cardiomyopathies dilatées avec hypertrophie cardiaque.  Au niveau des cardiomyocytes si l’on détecte une expression ectopique de la Junctophiline de type 1 cela s’accompagne d’une altération des structures membranaires spécifiques des zones dites de Jonctions. La formation de la zone spécifique dite de la « Triade » se trouve déficiente au cours du développement du muscle squelettique dans le cas d’une absence de Junctophiline de type 1. Il y a Association entre les altérations sur la Junctophiline de type 2 et de nombreuses pathologies relatives à des hypertrophies rencontrées dans des cardiomyopathies. (HCM).

En addition, même si son identification est relativement récente , il est évident que la Junctophiline stabilise le récepteur de la Ryanodine , que cette protéine participe à la mise en place des tubules T dans le cœur, et que la démonstration de son association avec un facteur de croissance de type FGF (FGF-13,   voir schéma dans l’article en référence) en fait un acteur important pour un fonction cardiaque correcte.

Avancées depuis 2014

Arbre phylogénique des JunctophilinesDes défauts concernant la Junctophiline-2 contribuent à un remodelage du tubule transverse au niveau  des myocytes et conduisent à ne dysfonction calcique dans l’insuffisance cardiaque. La famille des Junctophilines est analysé dans une revue avec comme cela est illustré ci-contre un arbre phylogénétique de la distribution des diverses isoformes JPH1-4.

Distribution comparative des Junctophilines dans le muscle et dans le coeur

On trouvera également dans cet article la distribution respectives des diverses formes de Junctophilines au sein du muscle lisse (JPH2) des muscles squelettiques (JPH1 et JPH2 au niveau des Triades) et cardiaque (JPH2 au niveau des Dyades) ainsi que dans les neurones (JPH3 et JPH4)

Junctophiline-2 dans le coeur normal ou déficientUn bilan figure dans ce travail pour les Rôles de la Junctophiline-2 dans le cœur et les implications émergentes pour les maladies cardiaques. Un schéma récapitulatif montre que l’absence de Junctophiline-2 dans un cœur défaillant contribue à la fuite du calcium qui au lieu de rester stocké dans le réticulum Sarcoplasmique va s’échapper via les Ryrs

L’activité de l’échangeur Na+ / Ca++ se trouve réduite et contribue à une fuite du calcium au niveau du Réticulum Sarcoplasmique chez une souris déficiente en   Junctophiline-2. Par opposé une surexpression de la Junctophiline-2 ne renforce pas la fonction de base, mais atténue le développement de l’insuffisance cardiaque après un stress. Le clivage spécifique de la  Junctophiline-2 par la Calpaïne au niveau du résidu 202  (comparé au clivage par la trypsine au résidu 216) va provoquer un remodelage des T-tubules chez  un modèle de souris avec une l’insuffisance cardiaque réversible.

 En 2015, la Junctophiline-1 est un gène modificateur de la GDAP1 dans la maladie de Charcot-Marie-Tooth. Des micros domaines dédiés au calcium sont organisés par les Junctophilines. Chez une souris déficiente en Junctophilines (JP-DKO = déficience en JPH3 et JPH4),   on observe une sensibilisation comportementale aberrante suite à l’injection de Méthamphétamine (METH, voir formule) ce qui altère la neurotransmission dans le striatum. L’absence de Junctophiline entraîne la perte de l’activité de CaMKII , fuite du calcium de la réserve du Réticulum Sarcoplasmique et hyperactivité des voies de signalisation calmoduline dépendante (dépolarisation membranaire). Les effets médicaux des  flavonoïdes « Smilax glabra » agissent sur le complexe entre JPH2 et Ryr2 dans le cadre d’une hypertrophie des cardiomyocytes provoquée par l’angiotensine-II. .En cas d’Activité sportive  on observe une atténuation des dommages  des fibres musculaires après un processus d’ischémie et la reperfusion.

 

En conclusion

 

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

A)      Chaque isoforme de  Junctophiline 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 : JUNCTOPHILIN 1; JPH1

Pathologies associées: Pas de mutation décrite à ce jour (2013). ** Voir l’effet de l’absence en Junctophiline-1

Protéine : JUNCTOPHILIN 2; JPH2

Pathologies associées: CARDIOMYOPATHY, FAMILIAL HYPERTROPHIC, 17; CMH17 

Protéine : JUNCTOPHILIN 3; JPH3

Pathologies associées:  HUNTINGTON DISEASE-LIKE 2; HDL2