Soutenance mémoire
La sérotonine
La découverte de la sérotonine
L’histoire de la sérotonine commence au début des années 1930 en Italie (pour revues, Whitaker-Azmitia, 1999; Richard Green, 2006). L’équipe de Vittorio Erspamer s’intéresse à la contraction des muscles lisses et aux propriétés constrictrices de plusieurs amines trouvées dans la peau et dans le tractus gastro-intestinal du lapin, de la grenouille ou encore de certains mollusques. A partir d’un extrait de muqueuse gastrique de lapin, il isole une substance qui provoque la contraction des muscles lisses, en particulier des muscles utérins. Il identifie cette substance comme étant une indole et la nomme ‘entéramine’ (Le papier originel qui décrit la découverte de l’entéramine est écrit en italien: Erspamer et Vialli, 1937). Par ailleurs, l’équipe américaine dirigée par Irvine Page travaille sur l’étiologie et le traitement de l’hypertension artérielle. Son hypothèse est la suivante: l’hypertension serait causéepar la présence de facteurs sanguins endogènes ayant des propriétés vasoconstrictrices. Avec le chimiste Maurice Rapport et la biochimiste Arda Green, il isole, purifie et cristallise une substance présente dans le sang coagulé qu’il nomme ‘sérotonine’, « wich indicates its source is serum and its activity is one of causing constriction » (Rapport et coll., 1948a; Rapport et coll., 1948b). La structure de la 5 hydroxytryptamine fut déterminée l’année suivante (Rapport, 1949) et sa synthèse organique fut obtenue en 1951. C’est à cette période que sérotonine et entéramine furent identifiées comme une seule et même substance (Erspamer et Asero, 1952). Mais l’avancée majeure concernant la sérotonine allait être faîte en 1952 par la biologiste Betty Mack Twarog. Elle démontra le rôle de neurotransmetteur de la sérotonine chez le mollusque (ses travaux ne seront publiés que 2 ans plus tard; Twarog, 1954). Elle montra ensuite la présence de 5-HT dans le cerveau des mammifères (Twarog et Page, 1953). En 1954, Walley et coll. firent le rapprochement entre les structures de la 5-HT et du LSD (d-lysergic acid diethylamide), dont les propriétés hallucinogènes avaient été découvertes en 1943. Ils démontrèrent que ce dernier était un antimétabolite de la 5-HT, c’est-à-dire un analogue capable d’interférer avec sa fonction, et proposèrent l’implication de la 5 HT dans les maladies mentales. Enfin, se fondant sur les similitudes entre la sérotonine et l’hormone de croissance végétale auxine, ils avançèrent l’idée que la sérotonine joue un rôle dans le développement du cerveau (Woolley et Shaw, 1954).
Le métabolisme de la sérotonine
Biosynthèse, stockage et libération de la 5-HT
Dans le système nerveux central ou à la périphérie, la sérotonine est synthétisée dans les cellules sérotoninergiques, exclusivement à partir de l’acide aminé essentiel Ltryptophane (L-trp), apporté uniquement par l’alimentation. Absorbé par l’intestin, le L-trp est véhiculé par la circulation générale jusqu’au SNC, où il traverse la barrière hématoencéphalique puis pénètre dans les tissus. La 5-HT est synthétisée en deux étapes (Figure 1): le L-trp est hydroxylé par la tryptophane hydroxylase (TPH, EC 1.14.16.4) en 5- hydroxytryptophane (5-HTP), précurseur immédiat de la sérotonine. L’hydroxylation du Ltryptophane, qui peut être inhibée par la PCPA (p chlorophénylalanine), est l’étape limitante de cette biosynthèse. Le 5-HTP est ensuite décarboxylé en 5-hydroxytryptamine ou sérotonine par une enzyme ubiquitaire, la décarboxylase des acides aminés aromatiques (AADC: Aromatic Amino acid Decarboxylase), également exprimée par les neurones catécholaminergiques.
Nous présenterons en détail les propriétés biochimiques et structurales des enzymes TPH dans le chapitre II de cette introduction (§II, page 34).
Le devenir de la sérotonine ainsi formée dépend ensuite de sa localisation: dans le SNC, la 5-HT est accumulée dans des vésicules synaptiques de stockage par un système de transport antiport proton/5-HT commun aux monoamines, assuré par le transporteur vésiculaire des monoamines VMAT. Celui-ci transporte la 5-HT grâce au gradient électrochimique de protons produit par une ATPase localisée dans la membrane des vésicules synaptiques. On recense actuellement deux transporteurs vésiculaires des monoamines, VMAT1 et VMAT2, ce dernier étant majoritaire dans le SNC des mammifères à l’âge adulte (Erickson et coll., 1992; Liu et coll., 1992). La 5 HT peut ensuite être libérée par exocytose au niveau des terminaisons sérotoninergiques, à la suite d’une dépolarisation membranaire. Dans la glande pinéale, glande endocrine impliquée dans les phénomènes d’adaptation aux changements de la photopériode, la sérotonine est convertie en mélatonine, molécule clef de la régulation du rythme circadien. Enfin, à la périphérie, la sérotonine néo-synthétisée est libérée dans la circulation sanguine et stockée dans les plaquettes sanguines qui constituent le réservoir principal.
L’inactivation de la 5-HT (recapture et catabolisme)
Une fois libérée, la 5-HT se fixe sur des récepteurs spécifiques, responsables de ses effets physiologiques. Cette activité est limitée dans le temps et en intensité par deux processus d’inactivation qui assurent ainsi l’élimination de l’amine et permettent de réguler finement sa concentration dans l’espace extracellulaire: un mécanisme de recapture et un mécanisme de dégradation enzymatique.
La recapture de la sérotonine
Le mécanisme de recapture de la sérotonine met en jeu un système de transport actif assuré par une protéine membranaire spécifique, le transporteur de la sérotonine SERT ou 5-HTT. Sa fonction principale est de limiter l’interaction de la 5-HT avec ses cibles, en la transférant de l’espace extracellulaire au compartiment cytoplasmique où elle pourra être soit dégradée, soit recyclée dans les vésicules de sécrétion (vésicules synaptiques des terminaisons sérotoninergiques, granules denses de sécrétion des plaquettes sanguines). Le SERT est une protéine à 12 domaines transmembranaires appartenant à la famille des transporteurs Na+ /Cl- dépendants. Le transport de la 5-HT, en même temps que celui des ions Na+ et Cl- nécessite la liaison des trois composés au SERT (Figure 2, c). Le SERT subit ensuite une série de changements conformationnels qui empêche l’entrée de molécules supplémentaires et expose le site de liaison au cytoplasme (Figure 2, d). Après la libération des ions et de la 5-HT à l’intérieur de la cellule (Figure 2, e), les ions K+ intracellulaires sont capables de se lier au SERT (Figure 2, f). Le SERT subit de nouveaux changements de conformation qui empêchent la liaison d’ions K+ supplémentaires et qui exposent le site de liaison au milieu extracellulaire. La libération du K+ dans le milieu extracellulaire termine le cycle .
La séquence en acides aminés de la protéine SERT purifiée présente des sites consensus de phosphorylation par les protéines kinases A et C, et par la protéine kinase Ca2+/calmoduline dépendante. L’activité du SERT dépend de son état de phosphorylation (pour revue, Rudnick, 2007). Dans le SNC, le SERT est localisé dans la membrane plasmique des neurones 5-HT, tant au niveau des corps cellulaires situés dans les noyaux du raphé, que de leurs fibres et leurs terminaisons (Lesch et Gutknecht, 2005). A la périphérie, le SERT est localisé dans la membrane plasmique des plaquettes sanguines, permettant ainsi l’internalisation de la 5-HT dans les granules denses de sécrétion. La sérotonine ainsi internalisée est libérée lors de l’agrégation plaquettaire (Maurer-Spurej, 2005a; b). Le SERT est également exprimé dans de nombreux tissus (poumons, cœur, intestins) ainsi que dans plusieurs types cellulaires (cellules épithéliales, fibroblastes, neurones du système nerveux périphériques, cellules musculaires lisses).
La dégradation enzymatique de la sérotonine
La dégradation enzymatique de la 5-HT est effectuée par les monoamines oxydases (MAO) qui sont de deux types, MAO-A et MAO-B. Ces deux enzymes sont présentes au niveau de la membrane externe des mitochondries, dans plusieurs types cellulaires (neurones, astrocytes, cellules endothéliales, plaquettes sanguines), à la fois dans le SNC et à la périphérie. Elles sont responsables de la désamination oxydative des amines biogènes, dont la sérotonine, et conduisent à la production de 5-hydroxyindole acétaldéhyde, luimême oxydé par une aldéhyde déshydrogénase pour former le 5-HIAA, métabolite principal et inactif de la sérotonine sécrété dans les urines. Les MAO possèdent des affinités différentes pour leurs substrats et des inhibiteurs spécifiques. Dans le SNC, la sérotonine est préférentiellement dégradée par la MAO de type A (Km=137 ± 24µM), comme la noradrénaline et l’adrénaline. La MAO de type B, quant à elle, désamine préférentiellement la dopamine, la β phénylethylamine et la benzylamine. La MAO-B ne semble intervenir dans le catabolisme de la sérotonine que lorsque sa concentration est élevée dans le cytoplasme des cellules (Km=1093 ± 20µM) (Yamada et Yasuhara, 2004; Youdim et coll., 2006). Dans le SNC, les MAO participent à la régulation et au maintien des niveaux des neurotransmetteurs monoaminergiques (noradrénaline, dopamine, sérotonine). La localisation des MAO ne correspond pas toujours à la localisation de leurs substrats préférentiels. Ainsi, les neurones sérotoninergiques expriment la MAO-B, qui n’utilise normalement pas la 5-HT comme substrat, du fait de sa faible affinité pour l’amine. La sérotonine libérée dans la fente synaptique est désaminée en partie par les astrocytes. Le mécanisme de pénétration de la 5-HT dans les cellules gliales reste controversé, puisqu’il impliquerait, selon les auteurs, soit une diffusion facilitée, soit le transporteur spécifique de la sérotonine SERT (dont l’expression astrocytaire n’est pas établie aujourd’hui). Les MAO sont également présentes dans certains neurones non-monoaminergiques (Luque et coll., 1995; Jahng et coll., 1997; Vitalis et coll., 2002). Dans ces neurones, la sérotonine et les catécholamines agiraient plutôt comme des facteurs trophiques pour le développement neuronal ou seraient impliquées dans la libération ou le stockage d’autres neurotransmetteurs. Dans les tissus périphériques, les MAO désaminent les monoamines qui agissent de façon endocrine ou paracrine. Elles peuvent être co exprimées, comme dans le foie humain ou être spécifiquement exprimées, comme la MAO-A dans le placenta ou la MAO-B dans les plaquettes sanguines (Youdim, 1988). Elles jouent également un rôle important de détoxification dans le foie, les intestins et les poumons (Nicotra et coll., 2004).
Les récepteurs de la sérotonine
Les avancées majeures dans la compréhension du rôle de la sérotonine ont découlé de l’identification de ses différents récepteurs. Par des études pharmacologiques, Gaddum et Picarelli proposèrent dès 1957 la classification « D » et « M » des récepteurs 5-HT, en se basant sur la sensibilité de contraction de l’iléon du cochon d’Inde, en réponse à différentes drogues (Gaddum et Picarelli, 1957). La réponse contractile de l’iléon pouvait être bloquée en partie par la morphine (faisant intervenir les récepteurs de type M) et en partie par la dibenzyline (faisant intervenir les récepteurs de type D). L’existence de plusieurs récepteurs sérotoninergiques fut admise, au départ pour la périphérie, mais contestée dans le SNC (pour revue, Richard Green, 2006). En 1979, les études de liaison permirent à Peroutka et Snyder de démontrer l’existence de deux sites distincts de fixation pour la sérotonine (Peroutka et Snyder, 1979). Les deux types de récepteurs seront alors appelés récepteurs 5-HT1 et 5 HT2, ce dernier correspondant pharmacologiquement au récepteur de type D décrit initialement. En 1986, Bradley et ses collaborateurs proposèrent une classification en trois groupes: 5-HT1-like, 5- HT2 et 5-HT3, ce dernier correspondant au récepteur de type M (Bradley et coll., 1986). Dans les années 1980, l’essor de la biologie moléculaire permit l’isolation des gènes et la caractérisation du premier récepteur à 7 domaines transmembranaires couplé aux protéines G, le récepteur β2-adrénergique (Dixon et coll., 1986). Le premier récepteur sérotoninergique 5-HT1A fut ensuite isolé et caractérisé par homologie de séquence en 1988 (Fargin et coll., 1988). La majorité des 13 autres récepteurs sérotoninergiques a été clonée entre 1988 et 1992 (Hoyer et coll., 1994; Hoyer et coll., 2002); et depuis 1997, année de l’isolation et de la caractérisation du gène codant le récepteur 5-HT7 (Eglen et coll., 1997), aucun nouveau récepteur 5-HT n’a été identifié. Sur la base de leurs homologies de séquences protéiques et de structures tertiaires, 7 classes de récepteurs 5-HT ont été définies (5-HT1 à 5-HT7), représentant ainsi l’une des familles les plus complexes de récepteurs aux neurotransmetteurs. A l’exception des récepteurs sérotoninergiques de classe 3 qui appartiennent à la superfamille des récepteurs ionotropiques, les récepteurs sérotoninergiques des six autres classes sont des récepteurs à 7 domaines transmembranaires qui appartiennent à la famille des récepteurs couplés aux protéines G. Selon leur mécanisme effecteur préférentiel, ces récepteurs sont divisés en 4 sous-types différents (Figure 3): les récepteurs couplés aux protéines Gi/o, qui inhibent l’adénylate cyclase (5-HT1); les récepteurs couplés aux protéines Gq, qui activent la phospholipase C (5-HT2); les récepteurs formant des canaux ioniques (5- HT3); et les récepteurs couplés aux protéines Gs, qui activent l’adénylate cyclase (5-HT4/6/7).
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Table des matières
INTRODUCTION
LE SYSTÈME SÉROTONINERGIQUE
I. LA SÉROTONINE
I.1. La découverte de la sérotonine
I.2. Le métabolisme de la sérotonine
I.2.1. Biosynthèse, stockage et libération de la 5‐HT
I.2.2. L’inactivation de la 5‐HT (recapture et catabolisme)
I.3. Les récepteurs de la sérotonine
I.4. Anatomie du système 5‐HT central et périphérique
I.4.1. Les noyaux 5‐HT dans le système nerveux
I.4.2. Les cellules chromaffines de l’intestin
I.4.3. Les cellules sérotoninergiques de la glande pinéale
I.5. Fonctions physiologiques de la sérotonine et pathologies associées
I.5.1. Dans le système nerveux central
I.5.2. Dans les intestins
II. L’ENZYME TRYPTOPHANE HYDROXYLASE
II.1. La famille des hydroxylases des acides aminés aromatiques
II.2. Isolement et caractérisation des gènes Tph
II.2.1. Isolement et caractérisation du premier gène Tph
II.2.2. Hypothèse de l’existence d’un deuxième gène Tph
II.2.3. Découverte du deuxième gène Tph
II.3. Comparaison des deux gènes Tph et des protéines correspondantes
II.3.1. Comparaison des deux gènes Tph
II.3.2. Comparaison des deux protéines TPH
II.4. L’importance des polymorphismes
III. CONCLUSION
LA SÉROTONINE DANS LE MAINTIEN DE L’HOMÉOSTASIE
I. LA SÉROTONINE ET LE SYSTÈME SANGUIN
I.1. Rôle de la sérotonine dans la circulation sanguine
I.1.1. Plaquettes sanguines et hémostase
I.1.2. Les plaquettes COAT
I.1.3. L’hémostase des souris Tph1‐/‐ et le mécanisme de sérotonylation
I.1.4. La sérotonine dans le plasma sanguin
I.2. Rôle de la sérotonine au cours de l’hématopoïèse
I.2.1. Rôle de la sérotonine dans la thrombopoïèse
I.2.2. Rôle de la sérotonine dans l’érythropoïèse
I.3. Conclusion
II. LA 5HT DANS LE SYSTÈME CARDIOVASCULAIRE
II.1. La régulation cardiovasculaire centrale par la sérotonine
II.1.1. Le centre cardiovasculaire et le système nerveux autonome
II.1.2. Voies sérotoninergiques centrales et système cardiovasculaire
II.2. La régulation sérotoninergique périphérique du système cardiovasculaire
II.2.1. La sérotonine dans la physiologie vasculaire
II.2.2. La sérotonine dans la physiologie cardiaque
III. CONCLUSION
OBJECTIFS
RÉSULTATS & COMMENTAIRES
PREMIÈRE PARTIE: RÉGULATION DE LA FONCTION CARDIAQUE PAR LA SÉROTONINE CIRCULANTE
I. INVALIDATION DU GÈNE TPH1 CHEZ LA SOURIS
II. DÉCOUVERTE DU GÈNE TPH2
III. QUELLES SONT LES CONSÉQUENCES DE L’ABSENCE DE SÉROTONINE CIRCULANTE ?
III.1. Caractérisation fonctionnelle du phénotype cardiaque
III.1.1. Analyse de la contractilité cardiaque en condition basale
III.1.2. L’activité électrique cardiaque est‐elle altérée chez les souris Tph1‐/‐?
III.1.3. La réponse mécanique cardiaque est‐elle modifiée chez les souris Tph1 en condition de stress ?
III.2. Caractérisation moléculaire du phénotype cardiaque
III.2.1. L’expression des récepteurs adrénergiques est‐elle modifiée dans le cœur des souris Tph1‐/‐?
III.2.2. L’expression des récepteurs sérotoninergiques est‐elle modifiée dans le cœur des souris Tph1‐/‐?
IV. CONCLUSION
DEUXIÈME PARTIE: RÔLE CRUCIAL DE LA SÉROTONINE MATERNELLE POUR LE DÉVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE
I. CONSÉQUENCES DU FAIBLE TAUX DE 5HT MATERNELLE AU COURS DU DÉVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE
I.1.1. Importance du taux de sérotonine maternelle circulante
I.1.2. Quelle est l’origine de la sérotonine présente dans l’embryon ?
II. CONCLUSION
TROISIÈME PARTIE: L’IMPORTANCE DU TAUX DE SÉROTONINE PLASMATIQUE
I. LES SOURIS TPH1/ (/) QUI SURVIVENT DÉVELOPPENTELLES UNE CARDIOPATHIE ?
II. LA CARDIOPATHIE ESTELLE CORRÉLÉE AVEC LE TAUX DE SÉROTONINE CIRCULANTE ?
III. LA STRUCTURE ET LA FONCTION DES PLAQUETTES SANGUINES DES SOURIS TPH1/ ( /) SONTELLES AFFECTÉES ?
IV. QUEL EST LE RÔLE DE LA SÉROTONINE MATERNELLE DANS LE CONTRÔLE DU TAUX DE SÉROTONINE CIRCULANTE ?
V. CONCLUSION
QUATRIÈME PARTIE : L’INFLUENCE DU FOND GÉNÉTIQUE DES SOURIS TPH1/
I. CARACTÉRISATION DU PHÉNOTYPE CARDIAQUE DES SOURIS TPH1/ 129SVJ
II. QUELS SONT LES TAUX DE 5HT TOTALE ET PLASMATIQUE DES SOURIS TPH1/ 129SVJ ?
III. LA STRUCTURE ET LA FONCTION DES PLAQUETTES SANGUINES DES SOURIS TPH1/ ( /) 129SVJ SONTELLES AFFECTÉES ?
IV. CONCLUSION
DISCUSSION
CONCLUSION
