Bases structurales de la specificite de reconnaissance entre les toxines animales et les canaux ...

221 Pages·2017·19.96 MB·French

by  Cedric Bernard

Bases structurales de la specificite de reconnaissance
entre les toxines animales et les canaux ioniques
Cedric Bernard
To cite this version:
Cedric Bernard. Bases structurales de la specificite de reconnaissance entre les toxines animales et
les canaux ioniques. Biochimie [q-bio.BM]. Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II, 2002.
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Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier les membres du jury qui ont accepté
de juger ce travail.

Je remercie christian Cambillau de m’avoir permis d’être intégré au sein
de l’A.F.M.B.

Une profonde pensée pour ma mère, mais aussi pour ma sœur Karin
(avec toute ta petite famille vivant au rythme du zouc antillais), pour Thomas
et Geoffroy mes frères enfin retrouvés. Merci à tous de si bien m’entourer
même si j’ai des fois l’impression de ne pas le mériter…

J’aimerais rendre hommage à la famille Gabella, famille dont je me
targue d’appartenir un peu. Vous avez tant fait pour moi que je ne pourrai
jamais assez vous remercier. Initialement protecteurs et guides, vous me
faites désormais l’honneur de donner votre amitié à l’homme que je suis
devenu. Je n’oublierai jamais ces instants précieux…

En ce qui concerne mes amis, j’ai tellement peur d’oublier quelqu’un que
je me contenterai de leur offrir un exemplaire dédicacé de ma thèse (…et
donc, exemplaire unique en quelque sorte…).

J’aimerais aussi remercier tous les membres du laboratoire et plus
particulièrement mes camarades de RMN : Eric, Olivier, Gilles, Jean-
guillaume, Guillaume et Benjamin. Notre entente et votre (mon ?) humour
m’ont fait passer quatre années excellentes, aussi bien en terme de travail
qu’en terme de détente….

Enfin, il me reste à remercier Hervé Darbon. Exercice difficile puisqu’il
faut ainsi dissocier l’homme du directeur de thèse. Force m’est de constater
que ces deux faces du personnage sont entremêlées, sans césure, en un mot
indissociables. L’attitude très paternelle que tu adoptes vis-à-vis des
étudiants de ton groupe, ou plutôt de ton clan RMN fait chaud au cœur et me
manquera. Merci de m’avoir formé : ce que je sais aujourd’hui, je te le dois
en partie. Merci de m’avoir dirigé et permis d’aller assister à des congrès.
Merci pour ces instants de grande détente sur ton bateau. Merci pour tes
« tu es à la bourre Cédric », pour tes encouragements, pour tes blagues qui
ne me faisaient pas rire. Enfin, merci pour ton amitié : si une chose, une seule
devait perdurer, j’espère que ce serait celle la…

Et Florence …

I
- II -
Avant propos

Les canaux ioniques sont exprimés de façon ubiquitaire et occupent donc une
place primordiale dans les mécanismes du vivant. De fait, un grand nombre de
pathologies impliquent un dysfonctionnement d’un certain type de canal ionique, et
motivent ainsi l’énorme quantité d’études qui visent à mieux comprendre ces canaux.
Dans l’optique d‘envisager un traitement efficace de ces maladies, la compréhension des
mécanismes de fonctionnement des canaux ioniques constitue un objectif majeur à
atteindre. Les toxines animales, initialement étudiées pour obtenir des anti-venins
efficaces, apparaissent aujourd’hui comme un outil de choix pour étudier et mieux
comprendre le fonctionnement des canaux ioniques.
Le travail effectué au cours de cette thèse est sous-tendu par une idée maîtresse,
améliorer encore la connaissance et la compréhension de l’interaction d’une toxine et de
sa cible, le canal. Ces connaissances ont diverses répercussions : la caractérisation
encore plus fine des propriétés des différents types de canaux exprimés mais aussi la
création de molécules thérapeutiques à la spécificité contrôlée pour un certain type de
canal donné. Ce contrôle de la spécificité, qui doit être total, implique une connaissance
parfaite des caractéristiques physico-chimiques qui régissent cette spécificité. Les
connaissances en la matière sont maintenant nombreuses, mais les zones d’ombre, qu’il
reste à dévoiler, le sont plus encore. La mutagénèse dirigée, la création de molécules
chimériques et les tests électrophysiologiques ont été largement utilisés pour mieux
cerner les résidus critiques pour l’interaction de la toxine et affiner ainsi le modèle de
l’interaction entre une toxine et un canal ionique. Toutefois, l’émergence et l’utilisation
désormais courante des techniques de détermination de la structure des protéines ouvre
un nouveau champ d’analyse qui se base sur la comparaison des structures et plus
précisément permet l’établissement de véritables cartes fonctionnelles de ces toxines
envers un type de canal donné.
Au travers de son introduction bibliographique, ce manuscrit présente brièvement
les canaux ioniques en se focalisant sur les relations structure/fonction de ces protéines
membranaires. Puis les toxines animales, dont les canaux ioniques sont les cibles
naturelles, sont décrites suivant le motif structural qu’elles adoptent : soit le motif Csαβ
ou le motif ICK.
Enfin, les résultats obtenus s’articulent autour de la détermination de la structure
en solution de toxines animales par résonance magnétique nucléaire bidimensionnelle
du proton.
- III -
- IV -
Table des matières
INTRODUCTION 1ERE PARTIE : LES CANAUX IONIQUES................................................................3

I Les canaux potassium.......................................................................................7
1 LES TROIS GRANDES CLASSES DE CANAUX POTASSIUM..........................................7
a°) Les canaux potassium activés par le calcium (K ).................................................................7
CA
i Les K de grande conductance (canaux BK)..........................................................8
CA
ii Les K de conductance intermédiaire (canaux IK).................................................8
CA
iii Les K de faible conductance (canaux SK).............................................................8
CA
b°) Les canaux potassium dépendants du potentiel (K )................................................................9
v
c°) Les canaux rectifiants entrants (canal K ).............................................................................10
IR
2 ORGANISATION MOLECULAIRE DES CANAUX POTASSIUM....................................10
a°) Les segments transmembranaires...........................................................................................10
b°) Une séquence signature : le filtre de sélectivité.....................................................................11
c°) La sensibilité au potentiel.......................................................................................................12
3 LA STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE DU CANAL K+ BACTERIEN KCSA...............12
a°) Organisation moléculaire du canal KcsA...............................................................................13
b°) Un modèle de la conduction d’ions K+..................................................................................14
c°) Les réarrangements conformationnels...................................................................................15
4 LA STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE DU CANAL MTHK......................................16

II Les canaux calcium voltage-dépendants..........................................................19
1 LA DIVERSITE DES CANAUX CALCIUM VOLTAGE-DEPENDANTS...........................19
a°) Les canaux Ca2+ de type LVA................................................................................................19
b°) Les canaux Ca2+ de type HVA...............................................................................................20
i Les canaux de type L..............................................................................................20
ii Les canaux de type N..............................................................................................21
iii Les canaux de type P/Q..........................................................................................21
iv Les canaux de type R..............................................................................................21
c°) Une nouvelle classification....................................................................................................22
2 ORGANISATION MOLECULAIRE DES VSCC...........................................................23
3 LA PERMEATION SELECTIVE DES IONS CALCIUM..................................................25

III Les canaux sodium..........................................................................................28
1 CLASSIFICATION DES CANAUX SODIUM................................................................28
2 ORGANISATION MOLECULAIRE DES CANAUX SODIUM..........................................28
a°) Topologie des canaux sodium................................................................................................28
b°) Sélectivité et perméation........................................................................................................30
3 SITES D’INTERACTION AVEC LES TOXINES............................................................30
a°) Interaction au niveau du pore : le site récepteur 1..................................................................30
b°) Interaction altérant la dépendance au potentiel......................................................................31
i Le site récepteur 3..................................................................................................31
ii Le site récepteur 4..................................................................................................31
iii Le site récepteur 6..................................................................................................32
- V -