La charnière du canal ionique NOMPC forme un ressort de gating qui initie la mécanosensation

Contexte académique

La mécanosensation est le processus par lequel les organismes perçoivent les stimuli mécaniques externes et les convertissent en signaux électriques, jouant un rôle crucial dans le toucher, l’audition, la perception de la gravité ainsi que dans les mouvements viscéraux et des membres. L’initiation de la mécanosensation dépend des canaux ioniques mécanosensibles (canaux de transduction mécanosensorielle, MET), qui transmettent la force mécanique à la porte du canal via un ressort de gating (gating spring), contrôlant ainsi l’ouverture et la fermeture du canal. L’élasticité du ressort de gating permet au canal de basculer entre les états ouvert et fermé sous l’effet des stimuli mécaniques.

Depuis longtemps, l’identité moléculaire du ressort de gating fait débat dans la communauté scientifique. La plupart des recherches se sont concentrées sur les domaines de répétition d’ankyrine, suggérant qu’ils pourraient agir comme ressorts de gating. Cependant, ces hypothèses manquaient de preuves expérimentales directes. Cette étude, combinant la duplication de domaines protéiques, des mesures mécaniques, l’électrophysiologie, des simulations de dynamique moléculaire et de la modélisation, révèle que le ressort de gating du canal mécanosensible NOMPC de la drosophile est en réalité la région de liaison courte (linker helix, domaine LH) reliant l’ankyrine à la porte du canal. Cette découverte offre une nouvelle perspective pour comprendre les mécanismes moléculaires de la mécanosensation.

Source de l’article

Cet article, intitulé “NOMPC ion channel hinge forms a gating spring that initiates mechanosensation”, a été réalisé par une équipe d’auteurs incluant Philip Hehlert, Thomas Effertz, Ruo-Xu Gu et d’autres, issus de l’Université de Göttingen et de l’Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires en Allemagne. Il a été publié en février 2025 dans la revue Nature Neuroscience.

Processus de recherche

1. Expériences in vitro de duplication des domaines de NOMPC

L’équipe de recherche a d’abord utilisé le génie génétique pour dupliquer les domaines de répétition d’ankyrine (domaine AR) et la région de liaison en hélice (domaine LH) de NOMPC, créant ainsi les variants AR+AR-NOMPC et LH+LH-NOMPC. Ces variants ont été exprimés de manière hétérologue dans des cellules S2 de drosophile, et leur localisation à la membrane cellulaire a été vérifiée par marquage fluorescent.

Ensuite, l’équipe a enregistré les courants spontanés et les réponses aux stimuli mécaniques de ces variants en utilisant la technique de patch-clamp. Les résultats ont montré que la duplication du domaine AR n’avait presque aucun effet sur l’activité spontanée et la sensibilité mécanique de NOMPC, tandis que la duplication du domaine LH réduisait significativement la fréquence de l’activité spontanée et la sensibilité mécanique de NOMPC. Plus précisément, le variant LH+LH-NOMPC nécessitait une pression plus élevée pour activer le canal sous stimulation négative.

2. Expériences in vivo de duplication des domaines de NOMPC

Pour valider les résultats in vitro, l’équipe a exprimé les variants de NOMPC dans les neurones de l’organe de Johnston (JO) de la drosophile. L’organe de Johnston est l’organe auditif de la drosophile, où NOMPC joue un rôle clé dans la mécanosensation. En enregistrant les potentiels d’action composés (CAP) des neurones JO, l’équipe a constaté que le variant AR+AR-NOMPC restaurait complètement la sensibilité mécanique des mutants dépourvus de NOMPC, tandis que le variant LH+LH-NOMPC ne la restaurait que partiellement, indiquant que la duplication du domaine LH réduisait la sensibilité mécanique de NOMPC.

3. Mesure de la rigidité du ressort de gating

L’équipe a ensuite évalué l’impact des variants de NOMPC sur la rigidité du ressort de gating en mesurant les propriétés mécaniques du récepteur sonore de l’antenne de la drosophile. Les résultats ont montré que la duplication du domaine AR ne modifiait pas de manière significative la rigidité du ressort de gating, tandis que la duplication du domaine LH réduisait de moitié cette rigidité. Cela suggère que le domaine LH est le composant principal du ressort de gating de NOMPC.

4. Simulations de dynamique moléculaire

Pour révéler les propriétés mécaniques du domaine LH, l’équipe a effectué des simulations de dynamique moléculaire sur une partie de la structure de NOMPC, en appliquant des forces de poussée et de traction sur le domaine AR. Les résultats ont montré que le domaine LH présentait un mouvement de type charnière sous l’effet des forces, avec des déformations bien plus importantes que celles du domaine AR. Cela indique que le domaine LH agit comme une charnière élastique dans la mécanosensation de NOMPC, transmettant la force à la porte du canal.

5. Expériences de réticulation

Pour valider davantage la fonction du domaine LH, l’équipe a introduit des paires de cystéines dans le domaine LH et utilisé l’agent de réticulation MTS6 pour stabiliser la structure du domaine LH. Les résultats ont montré qu’après réticulation, l’activité spontanée et la sensibilité mécanique du variant LH+LH-NOMPC revenaient à des niveaux similaires à ceux du NOMPC sauvage. Cela indique que la structure de charnière élastique du domaine LH est essentielle à sa fonction.

Principaux résultats

1. Le domaine LH est le composant principal du ressort de gating de NOMPC : La duplication du domaine LH réduit significativement la sensibilité mécanique et la rigidité du ressort de gating de NOMPC, tandis que la duplication du domaine AR a un impact minimal.
2. Le domaine LH a une fonction de charnière élastique : Les simulations de dynamique moléculaire montrent que le domaine LH présente un mouvement de type charnière sous l’effet des forces, transmettant la force à la porte du canal.
3. La fonction du domaine LH peut être restaurée par réticulation : En stabilisant la structure du domaine LH, la fonction du variant LH+LH-NOMPC revient à des niveaux similaires à ceux du NOMPC sauvage.

Conclusion

Cette étude révèle pour la première fois le mécanisme moléculaire par lequel le domaine LH du canal ionique NOMPC agit comme un ressort de gating. Grâce à sa fonction de charnière élastique, le domaine LH transmet efficacement les stimuli mécaniques à la porte du canal, initiant ainsi la mécanosensation. Cette découverte résout non seulement le débat de longue date sur l’identité moléculaire du ressort de gating, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes de gating d’autres canaux ioniques.

Points forts de la recherche

1. Résolution de l’identité moléculaire du ressort de gating : Grâce à des expériences et des simulations, l’équipe a confirmé que le domaine LH est le composant principal du ressort de gating de NOMPC.
2. Conception expérimentale innovante : En utilisant la duplication de domaines et des expériences de réticulation, l’équipe a systématiquement validé la fonction du domaine LH.
3. Large applicabilité : Cette découverte ne s’applique pas seulement au canal NOMPC, mais pourrait également inspirer des recherches sur les mécanismes de gating d’autres canaux mécanosensibles et ioniques.

Autres informations utiles

Les simulations de dynamique moléculaire et les expériences de réticulation de cette étude fournissent de nouveaux outils méthodologiques pour les recherches futures sur les canaux ioniques. De plus, l’analyse détaillée des fonctions du canal NOMPC par l’équipe offre des cibles potentielles pour le développement de médicaments contre les maladies liées à la mécanosensation.