ORAI

Introduction

De très intenses recherches ont été effectuées sur les Propriétés électro-physiologiques des courants calciques dans la cellule comme l’indique déjà  en 2005,  le document en référence. Progressivement, par la suite il sera mis en évidence que la protéine ORAI (produit du gène olf186-F également chez la mouche)  va jouer un rôle essentiel au niveau du canal membranaire pour le calcium.

La protéine ORAI 

Cette protéine ORAI 1 (protéine qui fut parallèlement identifiée par Vig et al., et baptisée comme  la protéine CRACM1 = Calcium release-activated calcium channel protein 1) est particulièrement impliquée dans l’organisation du pore membranaire pour le calcium au niveau de la constitution du canal calcique proprement dit. Il existe cependant des isoformes que l’on va également identifier chez la Drosophile et qui seront codifiées chez séquence de la protéine ORAIl’homme Orai 2 et Orai 3. Un tableau récapitulatif permet de rassembler l’ensemble des données de séquences sur ces principales protéines et sur les diverses isoformes qui ont été identifiées de nos jours. On trouvera sur les liens SwissProt des détails supplémentaires sur ces protéines.Q96D31; Q98SN7 ; Q9BRQ5.

La protéine ORAI1baptisée par Feske et al. ,  gère l’ouverture du canal membranaire qui laisse passer le calcium. Son nom provient d’une référence à de la mythologie grecque   qui nommait  les  gardiens des portes du paradis comme les « Orai ».

Portrait-robot de la protéine ORAISon portrait-robot révèle la présence de plusieurs portions transmembranaires ainsi que diverses zones dont un plus large détail figure dans un chapitre indépendant (voir les divers domaines au sein des protéines). Un schéma indiquant l’ensemble de ces données est présenté ci-contre.

La protéine ORAi ancrée à la membrane

 

 

Les séquences transmembranaires au nombre de 4 sont d’environ une vingtaine de résidus et les zones de connexion seront selon leur disposition parfois extracellulaire parfois intracellulaire avec cependant les extrémités N-terminale et C-terminale présentes dans le cytoplasme de la cellule. Une schématisation de l’incorporation dans la membrane cellulaire du fait de son ancrage via les séquences membranaires est illustré dans la figure présentée ci-contre.

 

Partenaires  de la protéine Orai1

Pour en savoir plus les données actuellement connues sur les partenaires des protéines STIM dans les cellules en tant que coordinateurs dynamiques des signaux cellulaires en relation avec  la concentration du calcium (Ca2 +), on peut consulter la revue en référence sur les nouvelles perspectives concernant les canaux dits  « SCOs » ,(=Store-operated calcium channels).  De plus, les données récentes sur la structure cristalline de la protéine Orai sont disponibles sur le lien indiqué. Une autre revue résume les connaissances actuelles sur l’hypertrophie cardiaque et les maladies prolifératives vasculaires qui sont fréquemment associées à des modifications importantes dans l’homéostasie du calcium et dans les voies de signalisations impliquant le  calcium.

Il existe de nombreux partenaires impliqués dans les flux du calcium cellulaire et en association directe avec la protéine ORAI  et parmi  ces derniers sont indiqués dans la liste suivante les plus importants :Une interaction avec des dimères de types STIM1 ; Une interaction avec des dimères de types  STIM2 .

Les partenaires de la protéine ORAIEn l’absence de calcium une association directe impliquant   EFCAB4B/CRACR2A CRACR2A (= CRAC Regulator 2A, ou également nommé EFCAB4B ou FLJ33805). La formation d’un complexe qui a lieu à concentration faible en calcium implique ensemble EFCAB4B/CRACR2A et STIM1 Un contact avec l’isoforme 8 de la protéine dont le sigle est   « ASPH » également connue sous le terme de Junctate (voir également fiche sur la Junctine). Une schématisation de l’ensemble de ces partenaires figure dans l’illustration ci-contre dans laquelle les nouveaux partenaires récemment découverts ont été intégrés.

Il est à noter que la présence de la protéine SARAF va significativement perturber l’association entre la  protéine ORAI et la protéine STIM en réalisant un contact avec cette dernière.

Rôle des protéines “Orai”

Les canaux dits CRAC  (en particulier CRACM1) représentent la principale voie d’influx du calcium (Ca2+)  dans les cellules T et ceux-ci vont être capables de favoriser une réponse immunitaire à divers agents pathogènes en activant le facteur de transcription NFAT.

Connexion entre protéines STIM et ORAIEn 2011, on disposera déjà de détails relativement à jour sur la protéine ORAI elle-même et l’ensemble des résidus détectés comme pouvant être modifiés, ainsi qu’un modèle d’activation de cette protéine ORAI par le domaine SOAR de la protéine STIM (consulter la fiche sur la protéine STIM) . Dans le schéma présenté ci-contre et directement issu du travail en référence figure l’interaction du domaine SOAR de la protéine STIM et son interaction avec la protéine ORAI1. Il y a libération de calcium à de zones formant des micro-domaines au sein du réticulum endoplasmique (ER) pour faciliter l’interaction du domaine accessible de la protéine STIM avec la zone C-terminale de la protéine ORAI (Interaction via une relation entre une structure alpha hélicoïdale de la protéine ORAI avec une hélice semblable de la protéine STIM sous l’effet du calcium). .


implication du complexe STIM et ORAI dans l'entrée du calcium
Par ailleurs en 2013, une plus récente illustration, provenant de la revue en référence donne les principales hypothèses sur  le rôle potentiel du couple STIM1 /Orai dans l’entrée du calcium au cours d’une hypertrophie cardiaque et /ou dans les maladies vasculaires de types prolifératives. Un tel schéma est présenté ci-contre dans sa version en français en référence avec l’article original.

 

Canal calcique et protéines ORAILe rôle des divers partenaires impliqués dans la gestion du calcium cellulaire selon un mécanisme dit  SOCE (store-operated Ca²⁺ entry)  est résumé à la lumière des connaissances actuelles (fin 2012) dans la référence indiquée. De plus les propriétés de l’arrangement hexamèrique des protéines Orai pour former le pore du canal spécifique du calcium et son  déclenchement par la  protéine STIM sont analysées en détail dans l’article en référence. Une représentation du canal ORAI est proposée directement en déduction des diverses images présentées dans les références incluses.

Un nouveau travail révèle les propriétés intramoléculaires du canal calcique sous l’influence du calcium. Implication pour la structure de la protéine ORAI. De nouvelles analyses sur l’entrée du calcium dans les nerfs sensitifs au niveau du nerf vague, procédures qui sont  indépendant des canaux ORAI.

la protéine ORAI et les flux du calcium dans le muscle lisse vasculaireToujours en 2013, une autre revue présente les multiples faces de la protéine ORAI. Les informations figurant dans l’article cité plus haut résument et commentent les travaux qui démontrent que des voies distinctes pour le flux de calcium sont activées par différents en relation avec différentes associations de protéines ORAI. Cela permet de proposer  un mécanisme par lequel leukotrieneC4 agit à travers un mode jusqu’alors inconnu pour susciter une signalisation calcique indépendante d’un stockage, voie de signalisation qui pourrait favoriser une maladie vasculaire occlusive via  la protéine Orai3 et ainsi les canaux Orai 1/3 offrent de nouvelles cibles pour un contrôle du remodelage consécutif à une  lésion vasculaire ou à une maladie vasculaire. Une illustration directement issue de ce travail est présentée ci-contre.

Un autre Bilan sur les possibilités pour optimiser les thérapies qui concernent les protéines ORAI et les communications non-synaptiques des récepteur des neurones olfactifs (Olfactory receptor neurons= ORNs)  .Par ailleurs, la prolifération des cellules mésangiales  liée à l’entrée du calcium via les zones de stockage est atténuée chez le rat âgé: l’Analyse du rôle respectif des protéines STIM 1 et ORAI 1. Il existe aussi une mise en évidence d’une nouvelle interaction entre l’Ubiquiline 1 et la protéine ORAI-1 et son rôle dans la  réglementation de la mobilisation du calcium.

Évolution des cancers en relation avec le complexe entre STIM et ORAI copiePuis les résultats de plusieurs recherches proposent de nouveaux rôles du stockage du calcium dans le processus d’entrée du calcium géré par les protéines  STIM et les protéines OARIs. Rôle de ces acteurs dans l’immunité, dans l’hémostasie calcique et dans le cancer. Cela est résumé par un bilan relativement complet des implications récentes sur de tels canaux en rapport avec les flux calcique de la cellule.

En 2013, le complexe Orai / STIM, avec  de nombreuses illustrations sur l’organisation des hélices alpha composants ces protéines, ainsi que le mécanisme d’action de ce complexe et sa relation avec le flux de calcium sont rapporté dans la mise à jour indiquée dans cette référence. On va alors définir de Nouveaux rôles pour les canaux de Ca2 + Orai en relation avec les maladies cardiovasculaires.

En 2014, Une augmentation du flux de calcium via la voie de signalisation STIM1-Orai1 provoque une pathologie musculaire chez des souris modèles de dystrophie musculaire. Une analyse plus large donne des informations sur le stockage et le  fonctionnement de l’entrée de Calcium en relation avec la protéine ORAI  dans la physiologie du muscle et le développement des maladies musculaires. Dans ce travail le rôle du complexe ORAI avec STIM1 est décrypté en rapport avec l’activation du stockage du calcium indépendamment des canaux impliquant les protéines ORAI. Au sein du myomètre humain chez la femme enceinte, c’est le rôle potentiel dans la signalisation du calcium pendant la grossesse qui est analysé en fonction des diverses isoformes composant le complexe entre les protéines STIM et ORAI. C’est un assemblage dynamique du complexe de signalisation membranaire (ORAI-STIM) qui permet une activation sélective de NFAT par la protéine ORAI-1.

Puis les informations s’affinent avec en 2015 une Importance émergente accrue de la protéine baptisée  ORAI-3 au cours de l’hypertrophie cardiaque, mais également des indications supplémentaires sur la structure et les mécanismes de fonctionnement impliqués dans la régulation des canaux calcique impliquant la protéine ORAI. progressivement c’est l’idée de réaliser un piège avec un dimère de protéines STIM qui va stabiliser le dimère de proteines ORAI,  sans pour autant un remodelage de la zone du réticulum endoplasmique  impliqué. C’est en fait l’agencement des protéines STIM qui sera le déclencheur de l’ouverture du  passage du calcium via le dimère de protéines ORAI qui sera alors activé.

ORAI et STIM évvolution des conformationsUne revue sur ces différentes phases impliquant des flux de calcium montre comment la protéine STIM ancrée à la surface du Réticulum Endoplasmique va sous l’influence du calcium se déployer (processus qui sera repris en détails dans la fiche sur la protéine STIM). Ensuite l’extrémité libre dans le cytoplasme de la protéine STIM pourra s’accroche à la membrane plasmique avec une interaction via PIP2 et sera alors susceptible de piéger la protéine ORAI et de réaliser une association forte via des relations impliquant des structures hélicoïdales de chacun des partenaires. L’ensemble de ces différents stades sont schématisés dans la représentation ci-contre

Comme le démontre le travail suivant le principe de l’association précédente va impliquer un dimère de protéine STIM qui piègera un dimère de protéine ORAI et ce n’est seulement qu’une fois l’association réalisée que le canal calcique sera ouvert tandis qu’un dimère de protéine ORAI seul à la membrane sera en position fermée. Le couplage STIM  ET ORAI est donc nécessaire pour une ouverture du canal calcique

Microglie et complexe entre STIM et ORAIEn complément des études donnent une vue encore plus précise sur la structuration à l’échelle nanométrique du complexe entre STIM1 et Orai1 et l’entrée du calcium en relation avec sa zone de stockage. Par ailleurs des études montrent également l’organisation de ce complexe au niveau du système nerveux central. Si dans ce travail des indications impliquent bien la protéine ORAI dans l’homéostasie des cellules neuronales et gliales, cette revue résume les connaissances actuelles sur la distribution et la fonction du complexe des protéines STIM et Orai dans le système nerveux central au niveau des neurones et des cellules gliales, des astrocytes et de la cellule baptisée  Microglie. En particulier comme cela est illustré ci-contre la Microglie, possède les protéines  STIM1, STIM2, et ORAI-1 qui participent à la régulation et à  la migration et la phagocytose de cette cellule.

De plus on va trouver que le complexe entre les protéines STIM et ORAI  se trouve dans des zones formants des micros domaines au sein des membranes pour une association fonctionnelle entre ces diverses protéines.

La protéine ORAI et les pathologies

Dès l’année 2006, une mutation au niveau de la protéine ORAI va provoquer une déficience immunitaire et altérer la fonction du canal dit CRAC

Puis en 2010, de e nombreux cas d’immunodéficiences sont fréquemment enregistrés avec divers types de mutations au sein de la protéine ORAI. Ainsi des mutations particulières au sein de la protéine ORAI (glycine 98 et Arginine 91) sont analysées en détail dans l’article en référence. Un bilan concernant le cœur et la protéine ORAI est également présenté de façon détaillé dans l’article en référence (en français). Avec des informations complémentaires publiées en 2012 sont compilées dans un  très récent répertoire des aspects physiopathologiques et des pathologies concernant la protéine ORAI est disponible sur le lien indiqué.

Une étude indique que sur la protéine Orai3 une mutation ponctuelle de la portion transmembranaire en G158C modifie la cinétique induite par la protéine 2-APB. Il se forme alors un disulfure avec le résidu C101 de la portion TM2 (Voir détails dans la référence indiquée, cela n’est pas possible si la mutation induite est G158A). Des mutations activatrices au niveau de la protéine  ORAI-1 comme la mutation P245L provoque des syndromes de myopathie congénitale tubulaire (relations avec la protéine STIM et détails dans le travail en référence). Les protéines STIM et ORAI jouent un rôle dans le transport du calcium et se trouve impliquées dans le développement des cancers et à ce titre pourrait être de nouvelles potentielles cibles thérapeutiques.  Dans le cas d’un mélanome invasif il apparait que la fonction de la protéine ORAI est sensible à un contrôle par la protéine kinase-C

Ainsi il apparait bien que les protéines STIM et ORAI doivent être conçues comme de nouvelles cibles pour la thérapie du cancer. Un examen des processus cellulaires et moléculaires au cours des métastases du cancer est fourni dans le travail indiqué. En particulier comme illustré dans la figure n°2 de ce travail les protéines STIM et ORAI peuvent stimuler le développement de la tumeur
et des métastases par deux axes principaux. 1) une augmentation de l’expression et / ou de la fonction de ces protéines ce qui va résulter en un effet tumorigénèse, 2) dans certains cas, une interruption fonctionnelle dans la formation d’ hexamères hétérogènes ORAI1/ORAI3 avec les protéines STIM va conduire à des résultats d’initiation et / ou d’aggravation des cancers.

Mutations sur la protéine ORAISi le gène de la protéine ORAI a été prouvée être un gène important pour la progression du cancer du sein et de métastases, il est maintenant démontré qu’un polymorphisme combinatoire au niveau de ce gène est à considérer pour développer des  modèles de prévention du cancer du sein chez les Taïwanais. Par ailleurs, des mutations dominantes dans la protéine ORAI-1 vont provoquer des myopathies globale tubulaire avec hypocalcémie, via l’activation constitutive du stockage du calcium impliquant   les  canaux Ca²⁺ magasin fonctionnant. Une liste de maladies causées par des mutations dans ORAI1 et STIM1 figurent dans le bilan que l’on trouve dans le présent travail. Un schéma récapitulatif indique sur le portrait-robot de la Protéine ORAI l’ensemble des mutations actuellement connues.

En conclusion

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

A)      Chaque isoforme de la protéine Oraiavec 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 : ORAI CALCIUM RELEASE-ACTIVATED CALCIUM MODULATOR 1; ORAI1

Pathologies associées: IMMUNODEFICIENCY 9; IMD9

Protéine : ORAI CALCIUM RELEASE-ACTIVATED CALCIUM MODULATOR 2; ORAI2

Pathologies associées: Pas de mutation décrite à ce jour (2013).  **voir le rôle spécifique de la protéine Orai de type 2

Protéine : ORAI CALCIUM RELEASE-ACTIVATED CALCIUM MODULATOR 3; ORAI3

Pathologies associées: Pas de mutation décrite à ce jour (2013).  **voir analyse comparative des protéines Orai en particulier la forme Orai de type 3