Canaux ioniques mécanosensibles

Modèle attaché

Lorsqu'une force mécanique est appliquée aux tissus, elle provoque l'étirement de la matrice extracellulaire et des membranes cellulaires, induisant également diverses modifications compensatoires du cytosquelette. Les canaux mécaniquement activés sont attachés à des protéines accessoires extracellulaires et à des protéines associées au cytosquelette. Selon le modèle attaché, les forces sont transmises par ces liens allant de la matrice extracellulaire et du cytosquelette au canal, ce qui entraîne l'ouverture des pores lorsque les protéines extracellulaires sont déviées dans la direction appropriée.

Initialement, ce modèle était privilégié pour les cellules eucaryotes complexes en raison de leurs réseaux protéiques internes et externes complexes. Cependant, des études récentes suggèrent que certains canaux ioniques des mammifères peuvent être activés par des forces mécaniques indépendamment des connexions avec la matrice extracellulaire, ressemblant ainsi au modèle de force lipidique.

Modèle de force lipidique

Le modèle de force lipidique est né de l'identification et de la reconstitution fonctionnelle d'un canal ionique mécanosensible procaryote. Il suggère que l'activation du canal peut résulter de modifications de la couche externe de la membrane cellulaire, sans nécessiter de structures supplémentaires. La bicouche lipidique constitue un compartiment amphipathique (à la fois hydrophile et hydrophobe) doté d'un profil de distribution de force interne unique. L'étirement physique modifie ce profil, induisant des altérations structurelles des canaux, affectant ainsi leur perméabilité ionique.

Des recherches récentes indiquent que le modèle de force lipidique est également applicable aux canaux ioniques mécanosensibles des mammifères.

Canaux sodiques de la famille des dégénérines/épithéliaux (DEG/ENaC)

Les dégénérines sont les premiers canaux ioniques eucaryotes mécaniquement activés identifiés. Ce sont des canaux ioniques sodiques (Na⁺) présents dans les neurones somatosensoriels de C. elegans, une espèce d'ascaris. La famille de canaux ioniques DEG/ENaC se caractérise par des similitudes de séquences génétiques entre les dégénérines et les sous-unités des canaux sodiques épithéliaux des mammifères.

Canaux à potentiel récepteur transitoire (TRP)

Les canaux à potentiel récepteur transitoire (TRP) forment une famille caractérisée par une conservation évolutive, classée en sept catégories selon l'homologie de séquence.

Les canaux TRP sont essentiels à un large éventail de fonctions sensorielles et répondent à divers stimuli, notamment la tension, la température, les petites molécules et les forces mécaniques. À ce jour, trois membres de cette famille ont été identifiés comme sensibles aux stimuli mécaniques :

• TRPA : Ces canaux sont principalement associés à la thermosensation chez les invertébrés et les vertébrés, mais des études récentes ont également identifié leur implication dans la somatosensation.
• TRPN : Des recherches récentes montrent que les canaux TRPN jouent un rôle important dans la réponse au toucher léger et la proprioception chez les invertébrés.
• TRPV : Chez la drosophile, les canaux TRPV sont impliqués dans l’audition, tandis que chez les mammifères, ils sont reconnus comme des canaux ioniques activés thermiquement. Cependant, les canaux ioniques responsables de l’audition chez les mammifères restent encore à explorer pleinement.

Canaux potassiques mécanosensibles

La présence de canaux potassiques mécanosensibles complexifie le modèle traditionnel d'activation neuronale par force mécanique.

Contrairement aux canaux sodiques, les canaux potassiques mécanosensibles hyperpolarisent le potentiel membranaire, réduisant ainsi la probabilité d'un potentiel d'action. Les rôles physiologiques de ces canaux potassiques dans la mécanotransduction restent mal compris. Deux membres de cette famille de canaux, les canaux potassiques 2 et 4 (respectivement KCNK2 et KCNK4), ont été détectés dans les neurones de mammifères. Leur activité est modulée par divers stimuli, notamment la force mécanique, la température et les produits chimiques.

Sous l'effet d'une force mécanique, l'étirement de la membrane peut activer les canaux potassiques mécanosensibles, selon le modèle de la force lipidique.

Canaux piézoélectriques

Les canaux piézoélectriques constituent une famille récemment découverte de canaux cationiques mécanosensibles chez les eucaryotes, comprenant les canaux Piezo1 et Piezo2.

Les canaux piézoélectriques sont volumineux (environ 2 500 acides aminés) et englobent de nombreuses régions transmembranaires. Leur distribution varie au sein des tissus, jouant un rôle prédominant par rapport aux autres familles de canaux ioniques mécanosensibles, en raison de leur implication dans des processus physiologiques essentiels chez les mammifères.

Au-delà de leur implication dans le système nerveux sensoriel, les canaux piézoélectriques interviennent dans divers processus physiologiques, notamment la régulation du volume érythrocytaire, la division cellulaire et l'immunité innée. De plus, des mutations des canaux piézoélectriques ont été associées à plusieurs maladies héréditaires humaines, telles que la dysplasie lymphatique congénitale autosomique récessive, la xérocytose héréditaire et un syndrome autosomique récessif caractérisé par une atrophie musculaire avec détresse respiratoire périnatale.

Canaux Piezo1

Le canal Piezo1 a des fonctions diverses et est exprimé dans les tissus non sensoriels, tels que les poumons, les voies urinaires et le système cardiovasculaire.

• Au niveua des poumons, Piezo1 est exprimé dans les cellules endothéliales vasculaires pulmonaires et les cellules épithéliales alvéolaires de type II, responsables de l'adaptation aux augmentations de pression alvéolaire et hydrostatique.
• Le rôle de Piezo1 dans les voies urinaires est de détecter et de réagir aux variations du débit liquidien et de la pression intraluminale.
• Dans le système cardiovasculaire, il a été démontré que la contrainte de cisaillement active le canal Piezo1 dans les cellules endothéliales, entraînant une augmentation de la formation d'oxyde nitrique (NO) et une vasodilatation.

Canaux Piezo2

Les canaux Piezo2 jouent un rôle essentiel dans les récepteurs sensoriels, notamment au niveau de la peau, des muscles et des organes internes. Ils sont abondamment exprimés dans les neurones sensoriels responsables de la proprioception et du toucher, notamment dans les structures identifiées comme les complexes tactiles de Merkel.

Neurones sensoriels mécanosensibles

Les canaux ioniques mécanosensibles jouent un rôle fondamental dans les neurones sensoriels mécanosensibles responsables de la perception du toucher léger, des vibrations, de la pression, de la proprioception et des stimuli mécaniques nocifs. Ces cellules spécialisées transforment les stimuli mécaniques en signaux électriques en déclenchant une cascade de potentiels d'action. Ces neurones se classent en deux catégories : les mécanorécepteurs à bas seuil et les mécanorécepteurs à haut seuil.

Mécanorécepteurs à bas seuil

Les mécanorécepteurs à bas seuil réagissent aux stimuli mécaniques externes et internes. Les propriocepteurs sont responsables des forces mécaniques internes générées par le système musculosquelettique et fournissent des informations sur la position des membres et des autres parties du corps dans l'espace. Les propriocepteurs comprennent les fuseaux neuromusculaires, les organes tendineux de Golgi et les récepteurs articulaires. Les mécanorécepteurs des stimuli externes sont principalement situés dans la peau et réagissent à des stimuli mécaniques légers et inoffensifs.

Quatre organes terminaux mécanosensoriels distincts ont été identifiés : les terminaisons de Ruffini, les corpuscules de Meissner, les corpuscules de Pacini et les disques de Merkel.

Mécanorécepteurs à seuil élevé

Les mécanorécepteurs à haut seuil font partie de la famille des nocicepteurs. Ils répondent à divers stimuli nocifs, tels que les produits chimiques nocifs, le froid, la chaleur et les stimuli mécaniques. Ces neurones expriment principalement les TRPV et les TRPA. Le TRPV répond à l'inflammation et au prurit, tandis que le TRPA est responsable des démangeaisons indépendantes de l'histamine. Les spécificités des récepteurs mécaniques aux stimuli nocifs sont connues. Les mécanorécepteurs à haut seuil englobent principalement les terminaisons nerveuses libres, qui innervent largement l'épiderme. Les fibres nerveuses myélinisées fines A-delta (Aδ) seraient responsables de la douleur mécanique rapide et seraient sensibles aux stimuli nocifs de chaleur ou de froid, tandis que les fibres nerveuses C amyéliniques fines répondent exclusivement aux stimuli mécaniques et se caractérisent par une faible vitesse de conduction.

Cellules ciliées cochléaires et vestibulaires

Les canaux ioniques mécanosensibles participent à la physiologie de l'audition et de l'équilibre, situés sur des cellules spécialisées de l'oreille interne. Ces cellules, appelées cellules ciliées, étendent leur surface apicale par des prolongements appelés stéréocils. Ces derniers sont disposés de manière ordonnée en rangées de hauteur croissante. Leur mouvement cohésif est facilité par des connexions latérales entre les stéréocils, via des structures appelées « liens terminaux » ou « tip-links ». La partie de la membrane à laquelle ces liens terminaux sont rattachées est riche en canaux ioniques mécanosensibles.

Le déplacement des stéréocils, des plus courts aux plus hauts, sous l'effet de stimuli mécaniques, entraîne une augmentation progressive de la tension mécanique. Par conséquent, les canaux ioniques mécanosensibles sont activés, facilitant l'afflux de cations, notamment de potassium et de calcium. Cet événement dépolarise la membrane de la cellule ciliée, donnant naissance à un potentiel récepteur et conduisant à la libération de neurotransmetteurs.

À l’inverse, le mouvement des stéréocils s’éloignant du stéréocil le plus haut entraîne la fermeture de ces canaux, induisant une hyperpolarisation dans la cellule ciliée et une inhibition de l’activité électrique.

Les cellules ciliées, selon leur physiologie et leur localisation, se divisent en cellules ciliées cochléaires et vestibulaires. Les cellules ciliées cochléaires, situées dans la cochlée, transforment les stimuli mécaniques, sous forme de vibrations sonores, en signaux électriques. Ces signaux sont ensuite transmis à l'encéphale pour interprétation. Les cellules ciliées vestibulaires détectent la position et les mouvements de la tête, transformant même les plus infimes déplacements en potentiels récepteurs.

Pour en savoir plus sur les canaux ioniques et les mécanorécepteurs, consultez les unités d'étude suivantes :

Cellules endothéliales et musculaires lisses mécanosensibles

Les cellules endothéliales et musculaires lisses ressentent des stimuli mécaniques qui peuvent affecter la conformation protéique de leur membrane cellulaire.

Les canaux Piezo1 sont exprimés dans les cellules musculaires lisses endothéliales et vasculaires et sont activés par la contrainte de cisaillement et l'étirement de la membrane cellulaire associés à une augmentation du débit sanguin local et de la pression artérielle. Piezo1 est nécessaire à la régulation de la formation d'oxyde nitrique, du tonus vasculaire et de la pression artérielle.

Les cellules épithéliales et endothéliales alvéolaires subissent des contraintes mécaniques pendant la respiration. Les canaux Piezo1 sont également exprimés dans les cellules endothéliales vasculaires pulmonaires et les cellules épithéliales alvéolaires de type II, responsables de l'adaptation aux augmentations de pression alvéolaire et hydrostatique.

Dans le système urinaire, les canaux ioniques mécanosensibles réagissent à l'étirement de la paroi vésicale. Piezo1, ainsi que TRPV4, contribuent significativement à la miction en réagissant à l'étirement de la paroi vésicale, en provoquant un afflux de Ca²⁺ et en déclenchant le réflexe mictionnel.

Mécanosensibilité

Bien que les termes « canaux ioniques mécanosensibles » et « canaux mécanosensibles » puissent sembler interchangeables, la mécanosensibilité désigne spécifiquement les canaux dont la perméabilité s'altère en réponse à une contrainte mécanique, même s'ils réagissent principalement à d'autres types de stimuli. Cette catégorie plus large comprend les canaux mécanosensibles voltage-dépendants et les canaux mécanosensibles ligand-dépendants.

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