Travaux de recherche

Comprendre la structure et le fonctionnement des récepteurs moléculaires impliqués dans la communication entre cellules nerveuses, cela reste une des voies royales vers la connaissance des mécanismes du système nerveux et des maladies neurologiques et psychiatriques. Le récepteur nicotinique à l’acétylcholine est l’un des récepteurs qui se prête le mieux à ces recherches, dont certains progrès majeurs ont été récompensés par les Prix Louis-Jeantet de médecine 1988 (Bert Sakmann) et 1993 (Jean-Pierre Changeux). Bien qu’il existe plusieurs types de récepteurs cholinergiques, le mieux connu est celui qui est présent à la jonction neuromusculaire, c’est-à-dire au niveau de la structure qui permet la communication entre un neurone moteur et la cellule musculaire qu’il commande. Les travaux de microscopie électronique de Nigel Unwin ont récemment apporté de grands progrès à notre connaissance de la structure de canal ionique qu’est le récepteur à l’acétylcholine.
Le récepteur à l’acétylcholine est formé de cinq chaînes polypeptidiques (deux chaînes a, une chaîne de chacune des types b, g et d). Chacune de ces chaînes traverse la membrane de la cellule postsynaptique, c’est-à-dire la cellule réceptrice du signal porté par le neurotransmetteur. Ces cinq éléments délimitent un espace intérieur qui constitue le canal ionique proprement dit, dont le diamètre plus ou moins étroit varie selon l’état fonctionnel du récepteur : ouvert ou fermé. Ce sont les chaînes a qui portent chacune un site de reconnaissance de la molécule d’acétylcholine. L’interaction de l’acétylcholine avec ce site provoque un changement de conformation du récepteur et l’ouverture du canal ionique pendant une fraction de seconde, permettant l’irruption d’ions sodium vers l’intérieur de la cellule.
Bien que des recherches de biologie moléculaire et d’électrophysiologie aient permis d’inférer la séquence générale de ces événements, la visualisation directe de ces changements structuraux se heurte à des obstacles considérables. Parmi les méthodes d’analyse de la structure des protéines, seule la microscopie électronique est aujourd’hui adaptable à l’étude détaillée des protéines membranaires, grâce d’ailleurs à la collaboration entre Richard Henderson (Prix Louis-Jeantet de médecine 1993) et Nigel Unwin. Même avec cette méthode, les difficultés sont de deux ordres. Premièrement, plus on souhaite obtenir d’images à haute résolution, plus il faut utiliser un flux puissant d’électrons, ce qui risque d’endommager les structures que l’on souhaite observer. De plus, s’agissant d’un canal ionique, les états fonctionnels les plus intéressants – comme par exemple l’ouverture de canal – sont transitoires et ne persistent que quelques millisecondes. Il s’agit donc de trouver un moyen de fixer dans un échantillon observable au microscope électronique une attitude fugace de la molécule de récepteur.
Exploitant la structure quasi-cristalline des membranes riches en récepteurs cholinergiques de l’organe électrique du poisson torpille, Nigel Unwin obtint des images de plus en plus précises du récepteur à une résolution de 8 angström (0.8 millionième de millimètre). Ces images ont pleinement confirmé les données de la biologie moléculaire concernant l’arrangement des chaînes polypeptidiques autour d’un canal central. Mais grâce à un développement très ingénieux des techniques de microscopie électronique, Nigel Unwin réussit à obtenir des ” instantanés ” des trois états fonctionnels principaux du récepteur :
– le récepteur au repos prêt à réagir à l’acétylcholine,
– le récepteur ouvert sous l’effet de l’acétylcholine
– le récepteur qui se referme spontanément au bout de quelques millisecondes : pendant une courte période le récepteur est insensible à son neurotransmetteur. Sa structure se réarrange et le mécanisme est en quelque sorte ” réarmé ” pour être à nouveau en mesure de réagir à l’acétylcholine.
Pour obtenir de telles images, les grilles portant les échantillons de récepteurs sont soumises à une chute libre dans un brouillard de gouttelettes contenant l’acétylcholine mélangée à une substance indicatrice visible au microscope électronique, la ferritine. Le temps de chute est de l’ordre de cinq millisecondes et il est calibré de façon à obtenir un maximum de récepteurs ouverts, après quoi les échantillons atteignent la surface d’un bain d’éthane refroidi à -160^°C. Comme la congélation est instantanée, le récepteur est fixé à un moment précis de ses changements de structure. Sur les images, la présence de ferritine permet de repérer les régions de l’échantillon effectivement exposées à l’acétylcholine et donc riches en canaux ouverts. Les cartes de densité électronique permettent de repérer systématiquement les différences entre l’état ouvert et l’état fermé. Ces différences existent déjà au niveau du site d’attachement de l’acétylcholine, mais sont particulièrement nettes au goulet d’étranglement du canal fermé. A cet endroit un repli des chaînes polypeptidiques forme un obstacle (appelé depuis ” Unwin kink “), un coude qui s’efface par un mouvement soigneusement orchestré de ces segments des sous-unités, laisse passer les ions pendant un court instant, puis se remet en place pour refermer le canal.
Ces travaux révèlent la dynamique d’un ensemble macromoléculaire complexe tel que le récepteur cholinergique à un niveau de détail inédit jusqu’ici. Nigel Unwin se propose d’appliquer cette analyse à d’autres récepteurs d’importance cruciale pour comprendre la pharmacologie du système nerveux. C’est le cas du canal du potassium, un canal ionique dont l’ouverture n’est pas commandée par un neurotransmetteur comme l’acétylcholine mais par un changement de potentiel électrique à travers la membrane cellulaire.

Dr. Nigel Unwin
Head of Neurobiology Division
Medical Research Council
Laboratory of Molecular Biology
Hills Road
GB – Cambridge CB2 2QH

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