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Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Edition 2012


Piezo


Etude des canaux ioniques Piezo et de leur rôle dans le système gastro-intestinal

Les canaux Piezo activés mécaniquement : structure et fonction physiologique
Ce projet a pour objet l’étude de la structure des protéines Piezo récemment identifiées ainsi que de leur rôle physiologique, ces protéines représentant les premiers canaux ioniques cationiques non-sélectifs activés mécaniquement identifiés à ce jour chez les vertébrés.

Etude des canaux ioniques Piezo et de leur rôle dans le système gastro-intestinal
La mécanotransduction est la conversion des forces mécaniques en signaux biologiques, et représente la modalité sensorielle la moins bien caractérisée à ce jour. Chez les mammifères, un très grand nombre de processus biologiques font intervenir des mécanismes de mécanotransduction, tels que l’embryogenèse, le toucher, la douleur, la proprioception, l’audition, la régulation du tonus vasculaire et du flux rénal, la motilité intestinale et les fonctions digestives, la physiopathologie pulmonaire ou encore l’homéostasie musculaire et osseuse. Il a été postulé que des canaux ioniques directement activés par les forces mécaniques sont nécessaires à beaucoup de ces processus biologiques. L’identification récente d’une nouvelle famille de canaux ioniques activés mécaniquement et baptisée « piezo » offre une opportunité unique pour l’étude des bases moléculaires de la mécanotransduction dans de nombreuses fonctions physiologiques vitales.
Ce projet porte sur l’étude des protéines piezos en adressant des questions à la fois fondamentales et intégrées, les fonctions de ces protéines étant encore largement méconnues tant au niveau moléculaire que physiologique. Ce sont de larges protéines comportant entre 30 et 40 domaines transmembranaires qui s’associent sous la forme de complexes homo-tetramériques pour former des canaux ioniques activés mécaniquement. Ils sont détectés dans de nombreux tissus chez la souris (neurones sensoriels spinaux, vessie, poumons, reins, colon,…). De plus, ces canaux sont impliqués dans la sensibilité mécanique douloureuse chez la drosophile.
Mon projet a donc trois objectifs principaux : identifier le pore des canaux piezos, leur rôle dans les fonctions gastro-intestinales et leur implication dans les douleurs viscérales.

Etude structure-fonction et caractérisation du rôle physiologique par l’utilisation de souris knock-out
L’identification du pore de conduction ionique des canaux piezo représente une étape cruciale pour la compréhension de ces protéines au niveau moléculaire. Ce projet adressera cette question en combinant des approches de biologie moléculaire et d’électrophysiologie.
Les gènes piezo sont exprimés dans le tractus gastro-intestinal et plus spécifiquement dans le système nerveux entérique (SNE) qui est impliqué dans le péristaltisme, un reflexe induit par la distension mécanique intestinale et qui contribue à la motilité et à la digestion. Ces données suggèrent que les protéines piezo jouent un rôle dans les fonctions gastro-intestinales. Mon projet propose de définir le rôle des protéines piezo dans le SNE sain et dans des modèles de troubles digestifs chez la souris. Les maladies inflammatoires intestinales telles que la maladie de Crohn et les recto-colites Hémorragiques sont des pathologies douloureuses qui affectent la motricité intestinale et la sécrétion digestive et qui touchent 3.6 millions de personnes aux Etats-Unis et en Europe. L’étude sera menée en combinant des approches de caractérisation d’expression, d’enregistrements électrophysiologiques in situ et de tests in vivo chez des souris dont les gènes codant pour les protéines Piezo ont été inactivés (KO conditionnels).
Un des symptômes majeurs chez les patients atteints de maladies digestives est la présence de douleurs viscérales caractérisées notamment par une hypersensibilité mécanique. En utilisant des modèles de maladies inflammatoires intestinales et les souris KO, le rôle des protéines piezo dans les douleurs viscérales sera déterminé en combinant leur détection et la caractérisation électrophysiologique des neurones sensoriels qui innervent le colon et identifiés par marquage rétrograde, et des tests comportementaux.

Résultats

Il existe des différences entre les canaux Piezo1 et 2 de souris et Piezo de drosophile concernant certaines de leurs propriétés biophysiques telles que leur conductance unitaire (caractéristique du pore de conduction ionique) ou leurs cinétiques d'inactivation. Ces différences permettent d’échanger des portions de protéine entre les canaux Piezo (chimères) et de tester leurs conséquences fonctionnelles. Les résultats que nous avons obtenus sur des chimères de Piezo nous permettent de focaliser nos recherches sur une zone d'intérêt d'une soixantaine de résidus qui pourrait être impliquée dans le passage du flux ionique ainsi que sur la partie C-terminale de la protéine impliquée dans le mécanisme d'inactivation. Ces résultats nous permettent de concevoir et de générer de nouvelles constructions chimériques afin d’affiner ces zone d’intérêt et d'introduire des mutations ponctuelles sur des résidus afin de tester leur implication dans ces processus.
En ce qui concerne l’étude du rôle physiologique des protéines Piezo dans le système gastro-intestinal, nos résultats ont permis de confirmer les résultats préliminaires et montrent que Piezo1 est exprimé dans les neurones du SNE. De plus, les croisements des différentes lignées de souris qui ont été mis en place vont permettre d’avoir rapidement des colonies d’animaux ayant les génotypes requis pour notre étude.

Perspectives

Les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI), telles que la maladie de Crohn et la colite ulcéreuse, sont des pathologies douloureuses qui compromettent la qualité de vie de nombreux patients. Ces maladies concernent environ 3,6 millions de personnes aux Etats-Unis et en Europe. Elles sont caractérisées par une inflammation chronique du tractus gastro-intestinal, ce qui donne lieu à des diarrhées et des crampes douloureuses. Ces troubles semblent impliquer un dysfonctionnement du système nerveux entérique (SNE), conduisant à une motilité réduite et à l’altération des sécrétions et de la perception viscérale.
Malgré des progrès dans la compréhension de la physiopathologie des MICI, un besoin important persiste de développer des médicaments efficaces pour le traitement des troubles gastro-intestinaux. De nouvelles approches thérapeutiques sont donc nécessaires et étroitement liées à une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans les MICI.
Dans cette perspective, la caractérisation des acteurs moléculaires impliqués dans l'initiation des réflexes intestinaux fondamentaux de la fonction digestive tel que le réflexe péristaltique déclenché par la distension mécanique de la paroi intestinale peut fournir des cibles de choix pour le développement de nouveaux médicaments.
L'identification dans les neurones sensoriels nociceptifs qui projettent dans l'intestin des transducteurs primaires des forces mécaniques est également d'un intérêt crucial pour traiter les douleurs viscérales et l'hypersensibilité mécanique abdominale qui surviennent chez les patients atteints de MICI. Les canaux activés-mécaniquement Piezo1 et 2 représentent des candidats prometteurs pouvant être impliqués dans ces fonctions. Ce projet devrait accroitre nos connaissances sur la structure et la fonction physiologique des canaux Piezo, et ainsi définir les bases nécessaires au développement de futurs traitements.

Productions scientifiques et brevets

Mechano-Gated Ion Channels in Sensory Systems. Patrick Delmas and Bertrand Coste. Cell, in press (review)

Partenaires

CRN2M Centre de Recherche en Neurobiologie et Neurophysiologie de Marseille

Aide de l'ANR 486 803 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2012 - 36 mois

Résumé de soumission

La mécanotransduction est la conversion des forces mécaniques en signaux biologiques, et représente la modalité sensorielle la moins bien caractérisée à ce jour. Chez les mammifères, un très grand nombre de processus biologiques font intervenir des mécanismes de mécanotransduction, tels que l’embryogenèse, le toucher, la douleur, la proprioception, l’audition, la régulation du tonus vasculaire et du flux rénal, la motilité intestinale et les fonctions digestives, la physiopathologie pulmonaire ou encore l’homéostasie musculaire et osseuse. Il a été postulé que des canaux ioniques directement activés par les forces mécaniques sont nécessaires à beaucoup de ces processus biologiques. L’identification récente d’une nouvelle famille de canaux ioniques activés mécaniquement et baptisée « piezo » offre une opportunité unique pour l’étude des bases moléculaires de la mécanotransduction dans de nombreuses fonctions physiologiques vitales.
Ce projet porte sur l’étude des protéines piezos en adressant des questions à la fois fondamentales et intégrées, les fonctions de ces protéines étant encore largement méconnues tant au niveau moléculaire que physiologique. Ce sont de larges protéines comportant entre 30 et 40 domaines transmembranaires qui s’associent sous la forme de complexes homo-tetramériques pour former des canaux ioniques activés mécaniquement. Ils sont détectés dans de nombreux tissus chez la souris (neurones sensoriels spinaux, vessie, poumons, reins, colon,…). De plus, ces canaux sont impliqués dans la sensibilité mécanique douloureuse chez la drosophile.
Mon projet a donc trois objectifs principaux : identifier le pore des canaux piezos, leur rôle dans les fonctions gastro-intestinales et leur implication dans les douleurs viscérales.
L’identification du pore de conduction ionique des canaux piezo représente une étape cruciale pour la compréhension de ces protéines au niveau moléculaire. Ce projet adressera cette question en combinant des approches de biologie moléculaire et d’électrophysiologie.
Les gènes piezo sont exprimés dans le tractus gastro-intestinal et plus spécifiquement dans le système nerveux entérique (SNE) qui est impliqué dans le péristaltisme, un reflexe induit par la distension mécanique intestinale et qui contribue à la motilité et à la digestion. Ces données suggèrent que les protéines piezo jouent un rôle dans les fonctions gastro-intestinales. Mon projet propose de définir le rôle des protéines piezo dans le SNE sain et dans des modèles de troubles digestifs chez la souris. Les maladies inflammatoires intestinales telles que la maladie de Crohn et les recto-colites Hémorragiques sont des pathologies douloureuses qui affectent la motricité intestinale et la sécrétion digestive et qui touchent 3.6 millions de personnes aux Etats-Unis et en Europe. L’étude sera menée en combinant des approches de caractérisation d’expression, d’enregistrements électrophysiologiques in situ et de tests in vivo chez des souris dont les gènes codant pour les protéines Piezo ont été inactivés (KO conditionnels). Afin d’étendre cette étude chez l’homme, l’implication des protéines piezo dans les fonctions du SNE humain et les pathologies inflammatoires intestinales sera également caractérisée.
Un des symptômes majeurs chez les patients atteints de maladies digestives est la présence de douleurs viscérales caractérisées notamment par une hypersensibilité mécanique. En utilisant des modèles de maladies inflammatoires intestinales et les souris KO, le rôle des protéines piezo dans les douleurs viscérales sera déterminé en combinant leur détection et la caractérisation électrophysiologique des neurones sensoriels qui innervent le colon et identifiés par marquage rétrograde, et des tests comportementaux.
Ce projet permettra une avancée significative de la compréhension des protéines piezo au niveau moléculaire, et permettra de définir leur rôle dans la physiopathologie du tractus gastro-intestinal et dans les douleurs viscérales.

 

Programme ANR : Retour Post-Doctorants (RPDOC) 2012

Référence projet : ANR-12-PDOC-0005

Coordinateur du projet :
Bertrand COSTE (Centre de Recherche en Neurobiologie et Neurophysiologie de Marseille)
bertrand.coste@nulluniv-amu.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.