Anatomie de l'oreille interne
Cochlée : organe de Corti
Cellules ciliées : canaux MET des stéréocils

Le canal MET proprement dit correspond au canal ionique mécanosensible de la cellule ciliée.

Il s'intègre dans le complexe MET, un ensemble plus vaste de protéines associées au tip link et à sa machinerie de transduction.

Canal MET auditif

Propriétés du canal MET

Les canaux mécano-électriques de transduction (MET ou Mechanoelectrical Transducer Channels) constituent le complexe moléculaire qui convertit directement les forces mécaniques exercées sur la touffe de stéréocils en courant ionique.

1. Les complexes MET sont localisés à l'extrémité des stéréocils des rangées les plus courtes, au voisinage de la densité inférieure du tip-link (LTLD).

• La déviation de la touffe dans la direction excitatrice augmente la tension exercée par les tip-links et favorise l'ouverture des canaux MET.
• Leur ouverture permet l'entrée de cations depuis l'endolymphe, principalement K⁺ et Ca²⁺, et entraîne la dépolarisation de la cellule ciliée ( mécanotransduction).

2. Le nombre de canaux MET associés à chaque site de transduction reste difficile à déterminer précisément et pourrait varier selon la position tonotopique dans la cochlée.

• Les premières estimations suggéraient la présence d'un ou deux canaux MET fonctionnels par site de transduction (Tonotopic Variation in the Conductance of the Hair Cell Mechanotransducer Channel 2003).

• 

  Une étude reposant sur le photoblanchiment de molécules individuelles de TMC1 et l'analyse d'enregistrements monocanaux a ensuite suggéré un nombre plus élevé, pouvant varier d'environ 8 canaux à l'apex à 20 canaux à la base de la cochlée (Variable number of TMC1-dependent mechanotransducer channels underlie tonotopic conductance gradients in the cochlea 2018).

Cette estimation pourrait cependant être trop élevée en raison de l'utilisation de souris transgéniques possédant plusieurs copies du transgène et susceptibles de surexprimer les protéines TMC1 marquées par fluorescence.

3. Les canaux MET possèdent une conductance (inverse de la résistance) unitaire élevée, de l'ordre de 100 pS, dont la valeur varie selon le type de cellule ciliée et la position tonotopique dans la cochlée (Localization of inner hair cell mechanotransducer channels using high speed calcium imaging 2009).

4. L'ouverture extrêmement rapide des canaux MET résulte de la transmission directe des forces mécaniques produites par la déviation de la touffe de stéréocils.

Structure moléculaire du canal MET

TMC1 et TMC2 (Transmembrane Channel-like proteins 1 et 2), protéines membranaires de la famille TMC, constituent les principales sous-unités formant le pore du canal MET.

1. Les TMC présentent une parenté structurale avec les protéines TMEM16/ANO, qui comprennent des canaux anioniques activés par le Ca²⁺ et des scramblases de phospholipides (Structures of the TMC-1 complex illuminate mechanosensory transduction 2022).

TMC1 s'assemble en dimère et chaque monomère comporte dix hélices transmembranaires.

2. TMC1/TMC2 sont localisés à l'extrémité des stéréocils des rangées les plus courtes, au niveau des sites de mécanotransduction (TMC1 and TMC2 Localize at the Site of Mechanotransduction in Mammalian Inner Ear Hair Cell Stereocilia 2015 et Ultrastructural localization of the likely mechanoelectrical transduction channel protein, transmembrane-like channel 1 (TMC1) during development of cochlear hair cells 2019).

Remarque : des mutations récessives de TMC1 chez l'homme et de Tmc1 chez la souris altèrent la conductance des canaux MET et peuvent provoquer des surdités modérées à sévères (ed with moderate to severe hearing loss 2016).

Structure des complexes MET

Le complexe MET est un assemblage multiprotéique organisé autour du canal MET, dont les principales sous-unités sont TMC1 et TMC2.

Outre ces protéines constituant le canal ionique lui-même, le complexe MET comprend plusieurs protéines associées indispensables à son adressage, sa stabilisation, son ancrage au tip-link et à son fonctionnement normal.

1. Plusieurs protéines associées au canal MET sont indispensables ou participent à l'organisation et au fonctionnement du complexe MET.

a. TMIE (Transmembrane inner ear expressed) est un composant essentiel du complexe MET qui interagit avec TMC1/2 et participe aux propriétés de conduction et d'ouverture du canal (TMIE Is an Essential Component of the Mechanotransduction Machinery of Cochlear Hair Cells 2014).

b. CIB2/3 (Calcium and Integrin Binding proteins 2 et 3), avec TMIE, interagissent directement avec plusieurs domaines cytoplasmiques de TMC1 et TMC2.

• Ces interactions stabilisent les complexes TMC1/2–CIB2/3 et sont indispensables à leur fonctionnement comme canaux cationiques de mécanotransduction (Complexes of vertebrate TMC1/2 and CIB2/3 proteins form hair-cell mechanotransduction cation channels 2025).
• L'ancien modèle proposant que CIB2/3 relie les canaux MET aux microfilaments d'actine par l'intermédiaire des ankyrines n'est plus retenu : les ankyrines des mammifères présentent peu ou pas d'interaction avec CIB2 et leur suppression n'altère pas la mécanotransduction des cellules ciliées cochléaires (CIB2 interacts with TMC1 and TMC2 and is essential for mechanotransduction in auditory hair cells 2017).

c. LHFPL5 (Lipoma HMGIC Fusion Partner-Like 5) est associé à PCDH15 et participe à la transmission de la force exercée par le tip link vers le complexe MET (LHFPL5 is a key element in force transmission from the tip link to the hair cell mechanotransducer channel 2024).

Associée à PCDH15 au niveau de l'extrémité inférieure du tip link, LHFPL5 contribue au couplage mécanique entre le tip link et le complexe MET et participe à son organisation fonctionnelle.

d. PCDH15 (protocadhérine 15) constitue la partie inférieure du tip-link et participe au couplage de celui-ci avec la machinerie MET (Tip-link protein protocadherin 15 interacts with transmembrane channel-like proteins TMC1 and TMC2 2014).

• Les domaines extracellulaires de cadhérine définissent une attache mobile couplée à un " collier " rigide et doublement symétrique à proximité de la bicouche membranaire.
• LHFPL5 forme des interactions étendues avec les hélices transmembranaires PCDH15 et stabilise l'assemblage global PCDH15-LHFPL5.

2. LOXHD1 participe au maintien de TMC1 au niveau du site de mécanotransduction, mais n'est pas nécessaire au maintien de TMC2.

• TMC1 se localise normalement à proximité de l'extrémité inférieure du tip-link, mais sa localisation est fortement perturbée en l'absence de LOXHD1.
• LOXHD1 interagit avec TMC1 ainsi qu'avec CIB2, LHFPL5 et PCDH15, ce qui suggère qu'elle participe à la stabilisation de TMC1 au sein de la machinerie de mécanotransduction.

Modèles pour la transduction mécanosensorielle

Les canaux MET s'ouvrent avec des constantes de temps de l'ordre de la microseconde, ce qui exclut une activation par une cascade de seconds messagers et indique un déclenchement direct par une force mécanique.

1. L'activation du canal MET implique un élément de déclenchement élastique à ressort, qui est en série avec la protéine du canal et est étiré lors de la déviation des touffes de stéréocils.

• Les tip-links paraissent trop rigides pour constituer à eux seuls le ressort de déclenchement, compte tenu de leur rigidité estimée (environ 1 mN/m) et du déplacement de la porte du canal, évalué à environ 2,5 nm.
• Cependant, des études récentes ont montré une certaine élasticité (Elasticity of individual protocadherin 15 molecules implicates tip links as the gating springs for hearing 2019 et Stiffness and tension gradients of the hair cell’s tip-link complex in the mammalian cochlea 2019).

2. Le ressort de déclenchement biophysiquement défini pourrait inclure plusieurs composants moléculaires, le tip-link étant l'un d'entre eux.

Deux modèles ont été proposés (Mechanically Activated Ion Channels 2015) :

• le tethered-channel model,

• 

  le lateral-tension model.

Tethered-channel model

1. Dans ce modèle (modèle du canal attaché), les canaux MET sont physiquement ancrés aux tip-links extracellulaires et au cytosquelette intracellulaire via des protéines d'attache (Mechanically Activated Ion Channels 2015).

• Les forces que les tip-links exercent sur les canaux via les interactions protéine-protéine ouvrent directement les canaux.
• Cette liaison se ferait entre PCDH15 et TMC1/2 (Tip-link protein protocadherin 15 interacts with transmembrane channel-like proteins TMC1 and TMC2 2014).

2. Le complexe fonctionnel TMC-1/CIB/ankyrine identifié chez C. elegans apporte un soutien à ce modèle et suggère que les protéines d'ankyrine pourraient constituer un élément du ressort de déclenchement (Ankyrin Is An Intracellular Tether for TMC Mechanotransduction Channels 2020).

Cependant, l'existence d'un ancrage comparable impliquant les ankyrines dans les cellules ciliées des mammifères n'a pas été démontrée, et le lien physique entre TMC1 et les tip-links n’a pas été fermement établi.

Modèle de tension latérale (lateral-tension model)

Dans ce modèle, les canaux MET reposent librement dans la membrane au niveau des extrémités des stéréocils et la tension membranaire, induite par la force de traction exercée par les tip-links, est suffisante pour ouvrir les canaux.

Il n'y aurait pas de connexion physique directe des canaux MET avec les tip-links ou le cytosquelette intracellulaire.

1. Ce modèle peut facilement expliquer :

• 

  l'existence de plusieurs canaux MET dans chaque stéréocil (Variable number of TMC1-dependent mechanotransducer channels underlie tonotopic conductance gradients in the cochlea 2018),
• l'observation du tenting, c'est-à-dire d'une déformation locale de la membrane à l'extrémité des stéréocils les plus courts sous l'effet de la tension exercée par le tip-link (A mouse model for nonsyndromic deafness (DFNB12) links hearing loss to defects in tip links of mechanosensory hair cells 2009).

Remarque : des protéines TMC1 et TMC2 purifiées puis reconstituées dans des liposomes sont activées par une pression négative appliquée sur les membranes, ce qui suggère que ces protéines possèdent une sensibilité intrinsèque aux contraintes mécaniques membranaires (TMC1 and TMC2 Proteins Are Pore-Forming Subunits of Mechanosensitive Ion Channels 2020).

• Comme les liposomes ne contiennent ni tip-links ni cytosquelette, ces résultats suggèrent que TMC1 et TMC2 possèdent intrinsèquement une sensibilité aux contraintes mécaniques exercées sur la membrane.
• Cependant, les seuils de ces activations induites par la tension membranaire étaient trop élevés pour pouvoir expliquer la sensibilité des canaux MET aux forces mécaniques présentes dans les cellules ciliées..

2. Selon ce modèle, la membrane pourrait constituer le principal élément de transmission des forces mécaniques vers le canal.

Cependant, certains travaux suggèrent que la membrane seule ne suffit pas à expliquer les propriétés mécaniques du système de mécanotransduction.

Elle serait trop souple pour jouer à elle seule le rôle de ressort d'activation, ce qui implique l'existence d'un ou plusieurs éléments d'ancrage intracellulaire participant à la transmission des forces mécaniques (Stereocilia Membrane Deformation: Implications for the Gating Spring and Mechanotransduction Channel 2012).

Modèle unificateur possible

Avec les données récentes, un modèle fédérateur peut être envisagé, mais plusieurs aspects de l'organisation et du mécanisme d'ouverture des canaux MET restent débattus.

1. Dans ce modèle, les canaux MET (TMC1/2) seraient connectés au cytosquelette par l'intermédiaire d'un système d'ancrage intracellulaire encore mal caractérisé, mais ne seraient pas physiquement attachés aux tip-links.

• Lors de la déviation du faisceau de stéréocils, la force exercée par les tip-links éloignerait la membrane de la pointe des stéréocils les plus courts du cytosquelette sous-jacent.
• L'étirement de la membrane et les forces transmises par les structures d'ancrage intracellulaire contribueraient de manière synergique à l'ouverture du pore TMC1/2.

2. Les tip-links transmettraient la tension membranaire au voisinage du complexe MET, mais ne seraient pas directement connectés au canal TMC1/2.

Le complexe MET pourrait fonctionner selon des principes comparables à ceux observés pour certains canaux mécanosensibles, notamment NOMPC chez la drosophile, dans lesquels des structures d'ancrage intracellulaire participent à la transmission des forces mécaniques. (Ankyrin Repeats Convey Force to Gate the NOMPC Mechanotransduction Channel 2015).

3. Plusieurs protéines du complexe MET pourraient contribuer à la transmission des forces mécaniques entre le tip-link, la membrane plasmique et le canal MET.

a. Un complexe est formé par l'interaction étendue entre deux protéines LHFPL5 à quatre domaines transmembranaires chacune et un dimère de PCDH15 à un domaine transmembranaire chacune. Rappelons que PCDH15 constitue la partie inférieure du tip-link.

Leurs TM s'ancrent dans la membrane et pourraient faciliter les transmissions de tension à la membrane (Structure of mouse protocadherin 15 of the stereocilia tip link in complex with LHFPL5 2018)

b. TMIE fait probablement partie du complexe avec TMC1/2 et peut (TMIE defines pore and gating properties of the mechanotransduction channel of mammalian cochlear hair cells 2020) :

• soit être une protéine accessoire pour moduler le déclenchement des canaux et les propriétés des pores,
• soit contribuer directement à la formation des pores

TMIE interagit avec PCDH15/LHPFL5 et pourrait également maintenir TMC1/2 à proximité du complexe tip-link et faciliter des réponses appropriées à la tension membranaire (TMIE is an essential component of the mechanotransduction machinery of cochlear hair cells 2015).

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