Récepteurs membranaires
Seconds messagers : ions Ca²⁺
Calmoduline : structure

La CaM agit comme un capteur et un effecteur du Ca²⁺, second messager dont la liaison à la CaM modifie ses interactions avec de nombreuses protéines cibles.

Structure de la CaM

Structure générale

1. La structure de la CaM, longue de 148 acides aminés, comprend deux domaines globulaires approximativement symétriques, le domaine N-CaM (lobe N) et le domaine C-CaM (lobe C), contenant chacun :

• 

  une paire de mains EF (EF hand) liant les ions Ca²⁺, les sites I et II étant situés dans le lobe N-terminal et les sites III et IV dans le lobe C-terminal,
• une région de liaison flexible séparant les deux paires mains-EF (Backbone Dynamics of Calmodulin Studied by 15N Relaxation Using Inverse Detected Two-Dimensional NMR Spectroscopy: The Central Helix Is Flexible 1992).

Chaque main EF comporte une boucle de liaison au Ca²⁺ d'environ 12 acides aminés, capable de coordonner un ion Ca²⁺.

• Les régions de liaison aux ions calcium sont situées dans les régions 21-32, 57-68, 94-105 et 130-141.
• Ces régions sont situées entre deux hélices alpha dans les motifs EF-hand, les deux premières régions (21-32 et 57-68) sont d'un côté de la région du lien, les deux autres (94-105 et 130-141) sont de l'autre côté.

2. Chez l'homme, une particularité remarquable est que trois gènes distincts, CALM1, CALM2 et CALM3, codent exactement la même protéine CaM de 148 acides aminés (The three calmodulin genes: territories defined? 2025).

• Malgré cette identité protéique, ces gènes ne sont pas fonctionnellement équivalents : leurs régions régulatrices et leurs transcrits diffèrent, permettant une régulation distincte de leur expression.
• Cette organisation explique également qu'une mutation hétérozygote d'un seul gène CALM puisse avoir des conséquences fonctionnelles importantes, en particulier sur la régulation Ca²⁺-dépendante de canaux ionique.

Changement conformationnel lié à la liaison du calcium

1. En l'absence de Ca²⁺, le motif hélice-boucle-hélice des mains EF est dans une conformation globulaire dite " fermée " (apo-CaM).

• Ses résidus hydrophobes sont regroupés dans le noyau central.
• Les résidus hydrophiles chargés exposés au solvant.

2. Lors de la fixation du calcium, les hélices se réorganisent en une conformation dite " ouverte " (holo-CaM).

a. Ce changement expose en surface des résidus hydrophobes qui favorisent la liaison de la CaM à ses protéines cibles (motifs de liaison à la calmoduline dont les domaines IQ).

b. Ces deux conformations sont des conformations, semble-t-il, extrêmes.

• La calmoduline peut passer par d'autres configurations.
• Ces différences semblent être dues au nombre d'ions qui se lient à la CaM, de 0 à 4.

3. Certaines mutations sur les mains EF de la calmoduline, en particulier le remplacement de l'aspartate (D) par l'alanine (A) en position 1, inhibent la liaison au calcium (Intra- and Interdomain Effects Due to Mutation of Calcium-binding Sites in Calmodulin 2010).

• Ces mutants expérimentaux, incapables de lier Ca²⁺ sur les deux mains EF du lobe N-terminal (CaM12 avec comme mutations D20A et D56A), les deux mains EF du lobe C-terminal (CaM34, D93A et D129A), ou les quatre mains EF, permettent d'étudier le rôle respectif des différents sites de liaison au Ca²⁺ de la calmoduline.
• Des mutations pathogènes des gènes codant la calmoduline peuvent par ailleurs perturber la signalisation calcique, notamment la régulation de certains canaux ioniques ( revue dans Calmodulation meta-analysis: Predicting calmodulin binding via canonical motif clustering 2014).

4. Les paires de mains EF aux extrémités N et C-terminales ont des cinétiques de liaison au Ca²⁺ sensiblement différentes, mais elles coopèrent.

a. Les interactions CaM/Ca²⁺ avec leurs cibles sont complexes sur le plan cinétique (A Dynamic Model of Interactions of Ca2+, Calmodulin, and Catalytic Subunits of Ca2+/Calmodulin-Dependent Protein Kinase II 2010 et Dynamic switching of calmodulin interactions underlies Ca2+ regulation of CaV1.3 channels 2013).

• Le lobe C répond bien au Ca²⁺ entrant par le canal sur lequel réside la CaM correspondante (" sélectivité locale au Ca²⁺ ").
• Le lobe N peut, dans certains canaux, nécessiter un signal Ca²⁺ beaucoup plus faible provenant de sources distantes (" sélectivité globale au Ca²⁺ ").

b. L'affinité de la CaM pour ses protéines cibles est augmentée lors de la liaison au Ca²⁺ et son affinité pour le Ca²⁺ est renforcée lors de la liaison de ses protéines cibles.

Les modèles sont nombreux et la recherche est active (Protein recognition and selection through conformational and mutually induced fit 2013 et Dynamics of Nitric Oxide Synthase–Calmodulin Interactions at Physiological Calcium Concentrations 2015 et Structural Consequences of Calmodulin EF Hand Mutations 2017).

5. La dissociation des ions Ca²⁺ liés à l'extrémité N-terminale de la CaM précède souvent la dissociation de CaM de ses peptides cibles.

Motifs de liaison
à la calmoduline

1. Les motifs de liaison à la calmoduline (calmodulin-binding motif) sont nombreux et variés bien qu'ils possèdent certaines caractéristiques communes.

2. Leur classification distingue :

• les domaines IQ qui se lient à la calmoduline de manière indépendante des ions Ca²⁺,
• d'autres motifs qui dépendent de la liaison de la CaM avec les ions Ca²⁺.

Rôles de la CaM