spectrine

INTRODUCTION

Découverte dans un premier temps comme la protéine  la plus abondante de l’érythrocyte , la Spectrine fut identifiée comme correspondant à 2 bandes protéiques lors d’une analyse sur gel de polyacrylamide en milieu dénaturant (c.a.d. en présence de  SDS =  Sodium Dodecyl Sulfate ). Rapidement il fut confirmé que l’on avait là 2 sous-unités que l’on identifia comme Alpha (A) et Bêta (B) qui furent identifiées comme codées respectivement par des gènes situés sur des chromosomes différents.

Par ailleurs, parmi les protéines non caractérisées existait également une paire de polypeptides (qui furent dans un premier temps désignés comme entités 26 et 27), qui étaient dotés d’un certain nombre de propriétés intéressantes: à) comme on les trouva avec les autres polypeptides du tissu nerveux, cela suggéra qu’ils pouvaient être des composants structurels du neurone; (b) comme leurs mobilités électrophorétiques indiquaient des poids moléculaires de 250.000 et 240.000 très similaires à celles des Spetrines et/ou Filamines déjà identifiées dans les érythrocytes il fut conçu une certaine parenté  entre ces diverses protéines

 

En fait par la suite des protéines similaires furent alors  identifiées dans le cerveau et dans le muscle et furent dans un premier temps baptisées « Fodrine »., mais bientôt le terme de Spectrine sera adopté pour ces protéines.

La Spectrine

 

Tableau de séquences des SpectrinesOn trouvera le bilan de toutes les formes Alpha et Bêta des Spectrines connues actuellement dans un tableau récapitulatif résumant les données de séquences de ces diverses entités. Les comparaisons de séquences montrèrent par la suite que ces types de protéines non-érythrocytaires codées SPTN, en opposition aux formes érythrocytaires (SPT), pouvaient être considérés comme formant une famille unique des protéines que l’on identifie maintenant comme des protéines de la super famille des Spectrines. Des informations supplémentaires sont disponibles avec les liens Swissprot suivant :  P02549 ;   P11277  ;  Q13813 ; Q01082 ; O15020 ; Q9H254 ; Q9NRC6.

C’est ensuite avec l’aide de la protéolyse limitée que la structure fine de ces protéines, « les Spectrines Alpha et Bêta », furent mieux connue et on peut maintenant établir un portrait-robot pour les formes Alpha et, similaires mais pas identiques, un portrait-robot comparatif pour les formes Bêta.

Portrait robot de l'Alpha-SpectrineLes Spectrines de formes Alpha sont clivées en cinq régions (nommées Alpha I à Alpha V), tandis que les formes Bêta possèdent seulement quatre régions (nommées Bêta I à Bêta IV). Dans le détail on va identifier au sein de la structure de l’ Alpha-Spectrine (A1): 3 domaines de type « main EF » pour la liaison du calcium, situés en partie C-terminale, 1 domaine de type « SH3 » permettant un contact protéine-protéine situé entre les zones R9 et R10, puis 21 séquences répétitives (dites R) d’environ une centaine de résidus. Le schéma du portrait-robot de la chaîne Alpha de Spectrine musculaire est présenté ci-dessous avec seulement 21 séquences répétitives d’environ 100 résidus.

Arrangement spatial schématique de l'Alpha-SpectrineEn fait on va finalement découvrir que les séquences répétitives réalisent des structures spécifiques en triple hélice que l’on va par la suite répertorier comme des séquences répétitives de type « Spectrine ». Ces répétitions sont interconnectées par de courts segments non hélicoïdaux. Ces repliements sont impliqués dans toute la partie allongée des structures correspondant aux portraits robots des chaînes Alpha et Bêta de Spectrine. Dans les variantes de forme Alpha (soit non- érythrocytaire = AN1) on va trouver 2 séquences répétitives additionnelles soit au total 23 séquences répétitives. Un schéma général de la forme alpha est présenté ci-contre.

Portrait robot de la Bêta-SpectrinePour ce qui concerne la Bêta-Spectrine (B1) on va trouver : 2 domaines dits Calponine-like (CH) en tandem qui permettront l’association avec la molécule d’actine, (= domaines de liaison de l’Actine ABD), ce qui constitue la partie N-terminale de cette chaîne de Spectrine. Puis seulement 17 séquences répétitives spécifiques de type « Spectrine » constituant le corps de la protéine. Un portrait robot permet d’illustrer l’organisation légèrement différente de cette forme Bêta par rapport  la forme Alpha des Spectrines.

Arrangement spatial schématique de la Bêta-SpectrineOn note cependant qu »il existe une extrémité C-terminale est plus ou moins longue. On va rencontrer pour ces variantes de forme Bêta, la forme non- érythrocytaire =BN qui comporte la présence d’un domaine supplémentaire de type PH au sein de l’extrémité C-terminale. Plus généralement l’allure générale de la forme Bêta de la Spectrine garde une organisation en structure allongée principalement due à la présence des séquences répétitives organisée en triple hélice dites de type « Spectrine » comme cela est illustré sur le schéma ci-contre.

Assemblage dimère Alpha-Bêta spectrinesEn 2009, on va mettre en évidence l’assemblage d’un dimère qui résulte d’une association bien stable entre les formes Alpha et Bêta de la Spectrine avec en particulier une forte association entre les triples hélices N° 1 et 2 de la forme Bêta pour un contact avec les triples hélices N° 20 et 21 de la forme Alpha comme cela est indiqué dans l’illustration présentée ci-contre.

En 2010, on va disposer d’une étude détaillée sur les arbres évolutionnaires respectifs concernant d’une part la forme alpha et d’autre part la forme Bêta des Spectrines. arangement spatial du tétramère de spectrines Puis progressivement la mise en place de nouveaux détails sur  les Spectrines sous forme d’un tétramère avec en particulier l’importance dans cette association des extrémités C-terminale des formes Bêta avec une forte implication des triples hélices N°16 et 17 dans l’assemblage tête –bêche des dimères de Spectrines. Une illustration montre ce type d’assemblage avec en particulier la relation avec le filament d’actine mais également la protéine baptisée protéine 4.1 et l’importance dite CaM-like  comme l’indique le schéma ci-contre.

Par ailleurs,  si dans la forme BN3 on trouve 1 séquence répétitive additionnelle, soit 18 répétitions de type »Spectrine » cela va jusqu’à une quantité totale de 31 répétitions pour la forme BN4. Dans cette forme la Spectrine atteint une taille similaire à celle de la Dystrophine et cela est commenté dans un article ou figurent des images en microscopie électronique de cette protéine formant un long filament.

Rôle des molécules de Spectrines

 

Les Spectrines sont des composants majeurs du squelette de la membrane qui façonnent activement les propriétés dynamiques (stabilité et déformabilité) de celle-ci. Les Spectrines forment une association entre une chaîne de type Alpha et une chaîne de type Bêta.

On parle ainsi d’ hétérodimère antiparallèle qui va avoir la capacité de s’associer avec des filaments d’Actine du réseau sous-membranaire.  De plus, c’est l’organisation tête-bêche de ces dimères de Spectrines qui permet aux Spectrines de constituer leur propre réseau qui se distingue des réseaux d’Actine sous membranaire avec lesquels se réalise un maillage sous-membranaire de filament d’Actine. Le schéma présenté plus haut indique bien que les deux sous-unités Alpha et Bêta sont associées d’une manière antiparallèles, pour former ainsi un hétérodimère puis un tétramère. Une telle association implique des sites de nucléation, et l’information se propage le long des molécules, à peu près comme dans le cas d’une fermeture Éclair. Ce sont les structures de triple hélices typiques qui donnent une très grande stabilité aux tétramères de Spectrines.

Une telle organisation implique l’entrée en jeux de partenaires nouveaux en particulier pour l’association membranaire de ce réseau. Dans le chapitre suivant seront indiquées quelques définitions générales des partenaires que l’on va trouver généralement associés aux Spectrines

Partenaires associés aux Spectrines

En fait c’est l’identification progressive de nouveaux partenaires associés aux Spectrines qui suggère de nouvelles fonctions pour les Spectrines. Tout d’abord si l’association avec les filaments d’Actine sous membranaire fut rapidement une évidence, on identifiera tout d’abord au sein de l’érythrocyte des protéines associées au dimère Alpha-Bêta de Spectrine comme cela est  catalogué dans l’article en référence et dont l’identité est la suivante :

* La Protéine 4.1 dont la fonction classique est de  contribuer aux propriétés mécaniques de la membrane du globule rouge en favorisant l’interaction entre Spectrine et Actine.  La structure et la fonction de cette protéine 4.1 fut récemment résumée dans l’article indiqué.

De plus au niveau de cette jonction membranaire on trouvera également les protéines comme :

* La  Tropomyosine associée au filament d’actine qui  module la stabilité membranaire

* La Tropomoduline qui est requis pour  l’organisation membranaire

* L’ Adducine et la  Dématine qui  relient l’ensemble à des protéines membranaires en formant un complexe multi protéique.

* L’ Ankyrine pour la  liaison et la  stabilisation à la membrane. Ainsi un grand nombre de différents transporteurs (en incluant les protéines impliquées dans les pompes ioniques, les canaux et les échangeurs) sont associés physiquement aux Spectrines et réalisent avec les Ankyrines un complexe sous-membranaire.

Plus particulièrement on va trouver que cette liaison de la de la Spectrine à la membrane via les Ankyrines s’accompagne d’une interaction  avec la couche bi-lipidique membranaire et implique des potentielles modulations d’un complexe macromoléculaire autour des transporteurs tels les canaux d’ammonium de type RH et de type  AE1 (=Anion exchange protein 1, i.e. une protéine dimérique qui est un composant majeur de la membrane du globule rouge)

Zones d'associations de partenaires sur un tétramère de spectrinesEt bien sur des associations respectivement avec un autre hétérodimère de Spectrine. Un schéma récapitulatif du tétramère de Spectrine, présenté ci-contre, compile sur le Dimère Alpha/bêta de Spectrine les zones d’associations de ces diverses protéines.

Plus récemment il a également été rapporté que la  Spectrine pouvait avoir une activité de « protéine chaperonne » au sein du globule rouge, i. e. une protéine dont la fonction est d’assister la structure quaternaire d’autres protéines ( voir détails ).

Pathologies associées aux défauts de structure des Spectrines

L’’importance et l’abondance de la Spectrine dans la composition de la membrane de l’érythrocyte a conduit sans grande surprise à ce que des mutations de la Spectrine soient responsables d’une déformation et d’une fragilité accrue de la membrane des globules rouges. C’est ainsi que les défauts de la membrane de  l’érythrocyte sont en grande partie dues aux altérations de la Spectrine .

Cependant les  pathologies qui concernent le globule rouge mettent en jeu plusieurs autres partenaires de Spectrine. Les  mécanismes moléculaires de ces pathologies de la membrane du globule rouge sont largement étudiés. On y trouve bien sûr,  au côté de la Spectrine, les Ankyrines .

Mutations détectées au sein de la spectrine AlphaLes pathologies du globule rouge sont identifiées sous divers termes. On va parler de l’ Élliptocytose héréditaire (EH). On identifiera également la sphérocytose héréditaire ( Hereditary Spherocytosis =HS), dont le mécanisme moléculaire est résumé dans la littérature. La plupart du temps les mutations concernent soit l’extrémité N-terminale de la chaîne Alpha et pour illustrer cette constatation on trouvera ci-contre une compilation de la pluspart des mutations identifiées sur le portrait-robot de la forme Alpha de la Spectrine.

 

Mutations détectées au sein de la Spectrine BêtaPar ailleurs les études de détections de mutations  vont permettre d’identifier plus particulièrement sur   l’extrémité C-terminale de la chaîne Bêta des altérations qui conduiront elles aussi des altérations pour l’assemblage avec les formes Alpha et sont reportée ci-contre sur le portrait-robot de la forme Bêta une compilations de la majorité des altérations observées, avec comme conséquence clinique des tableaux variés selon les sujets atteints, et cela aussi bien dans le cas présenté plus haut pour les mutations sur la forme Alpha que pour la forme Bêta ici représentées .

Ces pathologies correspondent parfois à des cas référencés comme des types de Malaria et de plus des mutations spécifiques de la Spectrine furent détectées dans des cas d’ataxies  ( SpinoCerebellar Ataxia =SCA).

Avancées depuis  2013

Un récent bilan sur les domaines membranaires du tétramère de Spectrines et les assemblages avec les Ankyrines  figure dans ce travail avec une approche complémentaire sur l’évolution de ce type d’organisation en réseau chez les vertébrés. Des Étirements cycliques de myotubes différenciés permettent d’imiter un modèle de surcharge d’un muscle squelettique mature. Le travail présenté ici a fournis le moyen  de  tester dans ces conditions un modèle de culture cellulaire de C2C12 différenciés en myotubes. On va ainsi observer que le clivage par la Calpaïne  agissait préférentiellement sur 2 cibles protéiques, l’Alpha11 – Spectrine (150 kDa) et la Taline. Leurs protéolyses respectives sont augmentées (de 3,5 fois et 2,2 fois), au sein des myotubes, par rapport à des myotubes non-étirés

La perte de la Spectrine de type bêta2 dans les  cardiomyocytes permet de contrôler la différenciation et le développement cardiaque. Par ailleurs, un autre type de Spectrine la forme dite Bêta (IV) va être définie comme capable de réguler le ciblage membranaire au niveau du  cœur du canal potassique référencé sous le sigle de  TREK-1.

Relations spectrines et phospholipides membranairesDans ce travail il est plus particulièrement abordé la relation entre le réseau des Spectrines et les phospholipides présents au niveau membranaire. Dans ce travail le rôle de l’Ankyrine et sa relation avec la membrane pour un ancrage des Spectrines est analysé en détails (voir les informations dans l’article original). Un schéma récapitulatif montre l’assemblage des Spectrines alpha et Bêta et les zones des triples hélices en rouge indique les zones en contact avec des phospholipides.

 

En 2015, une étude démontre une corrélation entre un dysfonctionnement au niveau du  cytosquelette impliquant plus particulièrement la Spectrine de type Bêta II et le développement d’une arythmie chez l’homme.  Dans ce travail il est illustré et démontré qu’une mutation au niveau de l’Ankyrine B (R990Q) va conduire à une mauvaise interface avec la Spectrine Bêta  II ce qui permet d’expliquer l’origine de l’arythmie enregistrée.

Un bilan est proposé dans ce travail quant à différent type de mutations rencontrées sur la séquence de la Spectrine Alpha (SPTAN1) et de potentielle encéphalopathies (Approches distinctes entre les  phénotypes et les génotypes). Cette mini revue pointe en avant une nouvelle  activité enzymatique qui concerne plus particulièrement une protéine chimère entre Ubiquitine E2 / E3 et la  Spectrine. Cela semblerait impliquer un nouveau champ d’investigation en relation avec cette activité en particulier en biologie expérimentale. Cela  met l’accent sur la découverte de l’impact que cette activité enzymatique a sur les interactions protéine-protéine, le renouvellement  des protéines, la  signalisation cellulaire, et de nombreuses autres fonctions touchées impliquant la Spectrine, y compris la réparation d’ADN.

En 2016, c’est une étude qui, au niveau des mutations concernant les Ankyrines, plus particulièrement la forme ANK1 mais également les Spectrines de forme Bêta (SPTB) mais pas la forme Alpha, aborde les diverses relations avec les  cas de sphérocytoses héréditaires. Au niveau de la Spectrine Bêta de type III il existe des mutations qui vont s’accompagner d’une forte affinité de liaison avec la F-actine en relation avec une ataxie spinocérébelleuse chez l’homme.

relation Spectrines et Ankyrine au niveau du muscle squelettiqueUn nouveau mécanisme d’adaptation du complexe entre  Spectrine et Ankyrine est rapporté dans ce travail pour une organisation à longue distance des Membranes plasmatique au niveau de divers tissus chez les vertébrés. En particulier il est illustré le type de relation via les Ankyrines que va établir le tétramère de Spectrine dans le muscle squelettique avec une relation étroite au niveau des costamère avec le complexe réalisé avec la dystrophine et les Dystroglycanes comme cela est figuré sur le schéma ci-contre.

Relation spectrines et Ankyrines dans le coeurD’autres tissus sont également étudiés comme les neurones photorécepteur ou les différentes parties de cette cellule (parties interne et externe) présentent  une organisation relativement similaire. Une étude porte également sur la distribution du tétramère de Spectrines au niveau de la fibre musculaire cardiaque avec selon la zone, au niveau d’un disque intercalaire et/ou au niveau des tubules T avec les relation Spectrine Ankyrine et divers canaux membranaires comme cela est illustré dans une figure présentée ci-contre.

Dans ce travail on trouve une revue sur les plus récentes connaissances relatives aux protéines jouant le rôle « d’Intégrateur  du cytosquelette ». Il s’agit de la superfamille des Spectrines Superfamille. On y trouve en particulier un schéma général  de la superfamille des protéines de liaison avec le cytosquelette que sont les Spectrines, mais aussi l’alpha Actinine, les Dystrophines, les Spectraplakines (chez les invertébrés et les vertébrés),  les Plectines, et les  Nesprines.

En conclusion

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

A)      Chaque isoforme de Spectrine 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 : SPECTRIN, ALPHA, ERYTHROCYTIC 1; SPTA1

Pathologies associées: ELLIPTOCYTOSIS 2; EL2 ;  PYROPOIKILOCYTOSIS, HEREDITARY; HPP ;  SPHEROCYTOSIS, TYPE 3; SPH3

Protéine : SPECTRIN, BETA, ERYTHROCYTIC; SPTB

Pathologies associées: Anemia, neonatal hemolytic, fatal and near fatal;  Elliptocytosis-3 ; SPHEROCYTOSIS, TYPE 2; SPH2

Protéine : SPECTRIN, BETA, NONERYTHROCYTIC, 1; SPTBN1

Pathologies associées: Pas de mutation connue à ce jour

Protéine : SPECTRIN, ALPHA, NONERYTHROCYTIC 1; SPTAN1

Pathologies associées: EPILEPTIC ENCEPHALOPATHY, EARLY INFANTILE, 5; EIEE5