Canaux ioniques
Canaux calciques : canaux Ca²⁺ voltage-dépendants (Ca_V)
Régulation par la calmoduline

La calmoduline (CaM) est un important régulateur Ca²⁺-dépendant des canaux Ca_V1 (type L) et Ca_V2 (types P/Q, N et R).

Associée à des régions cytoplasmiques du canal, elle détecte l'augmentation du Ca²⁺ intracellulaire et peut modifier en retour l'activité de celui-ci.

Cette régulation intervient principalement dans deux processus :

• l'inactivation dépendante du Ca²⁺ (CDI),
• la facilitation dépendante du Ca²⁺ (CDF).

Inactivation dépendante du calcium (CDI)

L'inactivation dépendante du Ca²⁺ (CDI, Calcium-Dependent Inactivation) est un mécanisme de rétrocontrôle par lequel l'entrée de Ca²⁺ à travers certains canaux Ca_V favorise leur propre inactivation.

Vue d'ensemble

1. La calmoduline (CaM) associée au canal agit comme capteur de l'augmentation locale ou globale du Ca²⁺ et déclenche les changements conformationnels responsables de la CDI.

• 

  On peut mettre en évidence la CDI en comparant la cinétique des courants portés par les ions Ca²⁺ à celle des courants portés par les ions Ba²⁺ (Mechanism of Ca2+ -Sensitive Inactivation of L-type Ca*+ Channels 1994).
• La CDI est bloquée par des mutations des mains EF de la CaM qui lui font perdre sa capacité à lier le calcium (Calmodulin supports both inactivation and facilitation of L-type calcium channels 1999).

2. La CDI doit être distinguée de l'inactivation dépendante de la tension (VDI), qui est déclenchée par les changements de potentiel membranaire et ne nécessite pas l'augmentation du Ca²⁺ intracellulaire.

La CDI constitue donc une rétroaction dépendante du Ca²⁺, tandis que la VDI résulte de changements conformationnels du canal dépendant du voltage, indépendamment de la liaison du Ca²⁺ à la calmoduline (modulations directes des Ca_V par les sous-unités β).

Complexité de l'inactivation

La liaison du Ca²⁺ aux différents lobes de la CaM modifie ses interactions avec le canal, conduisant à différentes configurations qui déterminent les propriétés de la CDI (Dynamic switching of calmodulin interactions underlies Ca2+ regulation of CaV1.3 channels 2013).

1. Au repos, l'apo-calmoduline (sans ions Ca²⁺) est préassociée au canal.

• Le lobe C de l'apo-CaM interagit avec le domaine IQ de l'extrémité C-terminale des Ca_V.
• Le lobe N semble interagir plus faiblement avec le domaine PreIQ ou PCI (proximal Ca²⁺-inactivation), situé en amont, contenant deux mains EF vestigiales, qui ne possèdent pas les résidus acides essentiels pour la liaison au Ca²⁺.

2. Lors d'une élévation du Ca²⁺ intracellulaire, la CaM, ancrée au canal, se lie au Ca²⁺, ce qui favorise un changement de conformation du complexe C-terminus/CaM et donne lieu à une CDI (changement conformationnel lié à la liaison du calcium).

Le canal complètement inactivé correspond à la fois à la liaison de deux ions Ca²⁺ sur le lobe C ET de deux ions Ca²⁺ sur le lobe N de la CaM (ICN).

3. Des configurations partiellement inactivées correspondent à des liaisons du Ca²⁺ à un seul des deux lobes de la CaM :

• soit sur le lobe C (I_C),
• soit sur le lobe N (I_N).

a. Le lobe C de la CaM interagit avec des régions de l'extrémité C-terminale Ca_V.

b. Le lobe N de la CaM peut interagir avec :

• le domaine PreIQ ou PCI sur l'extrémité C-terminale des Ca_V,
• le domaine NSCaTE (N-terminal spatial Ca²⁺ transforming element) à l'extrémité N-terminale des Ca_V, domaine qui contient les résidus W52, I56 et R60 dans Ca_V1.2 (Structural basis for the regulation of L-type voltage-gated calcium channels: interactions between the N-terminal cytoplasmic domain and Ca2+-calmodulin 2013).

La mutation W52A abolit la liaison de la CaM au domaine NSCaTE, tandis que la mutation I56A diminue son affinité.

3. Les mécanismes moléculaires de la CDI peuvent varier selon les canaux Ca_V et certains aspects de la réorganisation des interactions entre la CaM et le canal restent discutés (Towards a unified theory of calmodulin regulation (calmodulation) of voltage-gated calcium and sodium channels 2015).

Pour Ca_V1.3, le modèle proposé repose sur une redistribution des interactions des deux lobes de la CaM entre différents sites du canal (Dynamic switching of calmodulin interactions underlies Ca2+ regulation of CaV1.3 channels 2013).

• Quand le Ca²⁺ se lie au lobe N, celui-ci se détache de la région PCI de l'extrémité C-terminale du Ca_V1.3 pour interagir avec le domaine NSCaTE de l'extrémité N-terminale et provoquer une inactivation partielle (I_N).
• Quand le Ca²⁺ se lie au lobe C, celui-ci quitte le domaine IQ pour interagir avec la région PCI, en recrutant le domaine IQ dans un complexe tripartite, et provoquer une inactivation partielle (I_C).
• Quand le Ca²⁺ se lie aux lobes N et C, les deux réorganisations se produisent simultanément, conduisant à l'état I_CN correspondant à l'inactivation par les deux lobes de la CaM.

CDI et isoformes des Ca_V

La CDI est présente dans les canaux Ca_V1 et Ca_V2, mais ses propriétés diffèrent selon les isoformes et selon la manière dont la CaM détecte l'augmentation du Ca²⁺ intracellulaire.

Selon les canaux, les lobes N et C de la CaM peuvent répondre préférentiellement au Ca²⁺ entrant localement à proximité du canal ou à une augmentation plus globale du Ca²⁺ cytosolique (Ca2+-dependent modulation of voltage-gated Ca2+ channels: analysis in native and heterologous expression systems 2012).

De façon générale, la CDI des Ca_V1, est davantage sensible au Ca²⁺ local, tandis que celle des Ca_V2 fait intervenir une détection plus globale du Ca²⁺, avec des différences selon les isoformes et le lobe de la CaM impliqué.

1. La CDI de Ca_V1.2 peut être déclenchée par l'élévation locale du Ca²⁺ à proximité immédiate du canal (A modular switch for spatial Ca2+ selectivity in the calmodulin regulation of CaV channels 2008 et Mechanism of Local and Global Ca2+ Sensing by Calmodulin in Complex with a Ca2+ Channel 2008).

• Le lobe C de la CaM détecte préférentiellement le Ca²⁺ local entrant par le canal, tandis que le domaine NSCaTE de l'extrémité N-terminale confère également au lobe N une sensibilité locale au Ca²⁺.
• Un modèle propose que deux molécules de CaM interagissent avec des sites distincts de la région C-terminale du canal et participent différemment à sa facilitation et à son inactivation dépendantes du Ca²⁺ (Multiple C‐terminal tail Ca2+/CaMs regulate CaV1.2 function but do not mediate channel dimerization 2010).

2. La CDI de Ca_V1.3 présente des composantes distinctes dépendant des lobes N et C de la CaM.

• Le lobe C répond préférentiellement à l'entrée locale de Ca²⁺ par le canal, tandis que la présence du domaine NSCaTE permet également au lobe N de répondre au Ca²⁺ local.
• Les interactions dynamiques des deux lobes de la CaM avec les régions PCI, IQ et NSCaTE sont à l'origine des configurations I_C, I_N et I_CN décrites précédemment (A novel calmodulin site in the Cav1.2 N-terminus regulates calcium-dependent inactivation 2013).

Dans les cellules ciliées internes de l'organe de Corti de l'oreille interne, la faible CDI de Ca_V1.3 résulte de plusieurs mécanismes de régulation qui font intervenir en particulier CaBP1 et CaBP2 (Calcium-Binding Proteins) (CaBP1 and 2 enable sustained CaV1.3 calcium currents and synaptic transmission in inner hair cells 2024).

3. Les canaux Ca_V1.4, exprimés principalement dans la rétine, présentent une CDI très faible ou absente, bien qu'ils puissent se lier à la calmoduline (Calmodulin Is a Functional Regulator of Cav1.4 L-type Ca2+ Channels 2009).

a. La partie distale de l'extrémité C-terminale du canal comprend un domaine régulateur appelé CTM (C-terminal modulator) ou ICDI (Inhibitor of Ca²⁺-Dependent Inactivation).

• Le CTM interagit avec des régions plus proximales de l'extrémité C-terminale, en particulier avec une région comprenant le domaine IQ, qui constitue un site majeur d'interaction avec la CaM (Enzyme-inhibitor-like tuning of Ca2+ channel connectivity with calmodulin 2010).
• Cette interaction entre les régions C-terminales distale et proximale modifie l'interaction de la CaM avec le domaine IQ et inhibe ainsi fortement la CDI.

b. CaBP4 (Calcium-Binding Protein 4), une protéine de liaison au Ca²⁺ apparentée à la CaM et particulièrement exprimée dans les photorécepteurs, intervient sur ce même système de régulation C-terminal (Structural Insights into Activation of the Retinal L-type Ca2+ Channel (Cav1.4) by Ca2+-binding Protein 4 (CaBP4) 2014).

• CaBP4 se lie au domaine IQ de Ca_V1.4 comme la CaM mais selon des interactions structurales différentes.
• Cette liaison de CaBP4 au domaine IQ peut s'opposer à la régulation du canal par la CaM et contribuer ainsi à supprimer la CDI.

c. La faible inactivation de Ca_V1.4 permet de maintenir une entrée prolongée de Ca²⁺ aux potentiels dépolarisés, indispensable à la libération tonique de glutamate par les photorécepteurs et les cellules bipolaires de la rétine.

4. Les canaux Ca_V2 présentent également une régulation dépendante du Ca²⁺ par la calmoduline, avec des propriétés différentes de celles des canaux Ca_V1.

a. La régulation des Ca_V2 dépend différemment des deux lobes de la CaM.

• Le lobe N intervient principalement dans la CDI et répond préférentiellement à une élévation plus globale du Ca²⁺ intracellulaire.
• Le lobe C détecte préférentiellement le Ca²⁺ local entrant à proximité du canal.

b. La CaM interagit avec le domaine IQ de l'extrémité C-terminale des Ca_V2 selon une organisation différente de celle observée pour Ca_V1.2.

• Les complexes formés par la CaM et les domaines IQ de Ca_V2.1, Ca_V2.2 et Ca_V2.3 présentent une organisation similaire entre eux, mais une orientation de la CaM opposée à celle observée avec Ca_V1.2 (Structures of CaV2 Ca2+/CaM-IQ Domain Complexes Reveal Binding Modes that Underlie Calcium-Dependent Inactivation and Facilitation, 2008 et Crystal Structure of the CaV2 IQ Domain in Complex with Ca2+/Calmodulin: High-Resolution Mechanistic Implications for Channel Regulation by Ca2+ 2008).
• Cette orientation opposée modifie la position respective des lobes N et C de la CaM par rapport au domaine IQ et, par conséquent, les interactions que chacun d'eux peut établir avec les régions régulatrices du canal.
  • Dans Ca_V1.2, le lobe C joue un rôle majeur dans la CDI, tandis que dans les Ca_V2 le lobe N intervient principalement dans la CDI.
  • Dans Ca_V2.1, le lobe C participe au contraire à la CDF.

Facilitation dépendante du Ca²⁺ (CDF)

La facilitation dépendante du Ca²⁺ (CDF, Calcium-Dependent Facilitation) est un mécanisme de rétrocontrôle par lequel l'augmentation du Ca²⁺ intracellulaire, détectée par la calmoduline (CaM), augmente transitoirement l'activité de certains canaux Ca_V au cours d'activations répétées.

• Comme la CDI, la CDF constitue donc une rétroaction du Ca²⁺ sur les canaux Ca_V, mais elle augmente leur activité au lieu de favoriser leur inactivation.
• Les mécanismes moléculaires responsables de cette facilitation diffèrent cependant selon les types de canaux.

1. Les canaux Ca_V1.2 présentent une CDF dépendante de la CaM, particulièrement étudiée dans les cardiomyocytes ventriculaires (Ca2+-dependent modulation of voltage-gated Ca2+ channels: analysis in native and heterologous expression systems 2012).

a. Au cours de dépolarisations répétées, l'augmentation du Ca²⁺ intracellulaire active la CaM, qui à son tour active la CaMKII (Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II).

• La phosphorylation du complexe Ca_V1.2 associé à CaMKII contribue à augmenter progressivement le courant calcique I_Ca jusqu'à un plateau (CaMKII tethers to L-type Ca2+ channels, establishing a local and dedicated integrator of Ca2+ signals for facilitation 2005 et Calmodulin and CaMKII as molecular switches for cardiac ion channels 2007).
• La CDF de Ca_V1.2 peut contribuer à l'adaptation du courant calcique à l'augmentation de la fréquence cardiaque et ainsi participer à la relation force-fréquence du myocarde.

b. La CaM peut également participer directement à la CDF de Ca_V1.2 par son interaction avec le domaine IQ de l'extrémité C-terminale du canal.

La liaison du Ca²⁺ à la CaM préassociée au canal provoque une réorganisation de ses interactions avec le domaine IQ pouvant favoriser l'état facilité du canal.

c. La CDF s'oppose fonctionnellement à la CDI : la première augmente transitoirement l'activité de Ca_V1.2, tandis que la seconde limite l'entrée de Ca²⁺.

2. Les canaux Ca_V1.3 présentent également une CDF de la CaM et de la CAMKII, mais selon un mécanisme distinct de celui de Ca_V1.2.

• La CDF de Ca_V1.3 nécessite l'association de la CaMKII avec la densine, une protéine d'échafaudage qui se lie à l'extrémité C-terminale du canal, mais ni la CaMKII ni la densine seules ne suffisent à produire cette facilitation lors de dépolarisations répétées (Ca2+-dependent facilitation of Cav1.3 Ca2+ channels by densin and Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II 2010).
• Des travaux plus récents montrent également que la CaMKII peut moduler Ca_V1.3 par phosphorylation du résidu S1475 de son extrémité C-terminale, selon un mécanisme dépendant de la CaM (CaM-dependent modulation of human CaV1.3 whole-cell and single-channel currents by C-terminal CaMKII phosphorylation site S1475 2024).

3. Les canaux Ca_V2.1 présentent une CDF dépendante de la CaM, déclenchée principalement par la liaison du Ca²⁺ à son lobe C (Ca2+-dependent modulation of voltage-gated Ca2+ channels: analysis in native and heterologous expression systems 2012).

a. Contrairement à la CDI de Ca_V2.1, qui dépend principalement du lobe N de la CaM et répond à une augmentation plus globale du Ca²⁺, la CDF dépend du lobe C et peut être déclenchée par l'entrée locale de Ca²⁺ à travers le canal lui-même (Elementary Mechanisms Producing Facilitation of Cav2.1 (P/Q-type) Channels 2007).

b. Dans les calices de Held, synapses géantes du noyau médian du corps trapézoïde (MNTB), un noyau du complexe olivaire supérieur impliqué dans le traitement des informations auditives, des stimulations répétées à haute fréquence peuvent entraîner une CDF initiale de Ca_V2.1, suivie d'une CDI.

Cette régulation permet une transmission efficace au début d'une stimulation auditive répétée, puis une diminution progressive de la réponse lorsque la stimulation se prolonge, contribuant ainsi à l'adaptation de la transmission synaptique aux caractéristiques temporelles des sons.

c. Dans les cellules de Purkinje du cervelet, les canaux Ca_V2.1 présentent également une CDF et une CDI au cours de stimulations répétées.

• Les effets opposés de la CDF et de la CDI tendent à stabiliser l'amplitude du courant calcique I_Ca, ce qui est important car l'entrée de Ca²⁺ par Ca_V2.1 est étroitement couplée à l'activation de canaux K⁺ dépendants du Ca²⁺ (KCa), qui participent au contrôle de la fréquence de décharge des cellules de Purkinje.
• En limitant les variations de cette décharge, l'équilibre entre CDF et CDI contribue ainsi à maintenir une activité régulière des cellules de Purkinje, importante pour le traitement cérébelleux et la coordination des mouvements.

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