Régulation de l’absorption de Ca2+ du Réticulum Sarcoplasmique Cardiaque par le Phospholamban

Au début des années 1970, une découverte a été rapportée par Arnold Katz (Tada et al1), qui a démontré que la phosphorylation des membranes isolées du réticulum sarcoplasmique cardiaque se produisait principalement sur une protéine de faible poids moléculaire. Cette phosphoprotéine a été nommée phospholamban, des mots racines grecs signifiant « recevoir du phosphate. »1 Le phospholamban est une petite protéine, comprenant 52 résidus d’acides aminés, et il est présent dans les muscles squelettiques cardiaques, lisses et à contraction lente. Cependant, ses effets régulateurs ont été principalement étudiés dans le muscle cardiaque. Des études in vitro ont indiqué que le phospholamban peut être phosphorylé en trois sites distincts par diverses protéines kinases : la sérine 10, par la protéine kinase C; la sérine 16, par la protéine kinase dépendante de l’AMPc ou de la cGMP; et la thréonine 17, par la protéine kinase dépendante de la calmoduline Ca2+.23 Chaque phosphorylation est associée à une stimulation des taux initiaux d’absorption de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, qui est principalement prononcée à faible, ce qui entraîne une augmentation globale de l’affinité de la pompe Ca2+ pour le Ca2+.45 Sur la base de ces observations, il a été initialement émis l’hypothèse que le phospholamban phosphorylé fonctionne comme un stimulateur de l’enzyme Ca2+-ATPase du réticulum sarcoplasmique cardiaque (SERCA2). Cependant, à la fin des années 1980, une percée significative s’est produite démontrant que le phospholamban déphosphorylé est en fait un inhibiteur du transport du Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque pour le Ca2+ et que la phosphorylation soulage cet effet inhibiteur, donnant l’apparence d’une stimulation induite par la phosphorylation.6 Cette découverte, combinée à l’identification d’une protéine phosphatase associée au réticulum sarcoplasmique cardiaque qui peut déphosphoryler le phospholamban7, a conduit à notre compréhension actuelle du phospholamban en tant qu’inhibiteur réversible de l’activité ATPase Ca2 + du réticulum sarcoplasmique cardiaque.

Le phospholamban est également phosphorylé in situ pendant la stimulation β-adrénergique. Des études sur des cœurs battants intacts ou des myocytes cardiaques isolés ont montré que la sérine 16 et la thréonine 17 dans le phospholamban deviennent phosphorylées lors de la stimulation de l’isoprotérénol.89 Il a été suggéré que la phosphorylation du phospholamban et l’augmentation accompagnée des taux d’absorption de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque seraient au moins partiellement responsables des effets stimulateurs des β-agonistes dans le cœur des mammifères.

Caractéristiques structurelles du phospholamban

La structure du phospholamban n’est pas connue actuellement, mais sur la base de sa séquence d’acides aminés, plusieurs modèles ont été proposés. Il est généralement admis qu’il existe deux grands domaines: un domaine hydrophile (AA 1-30, indiquant les résidus d’acides aminés 1 à 30), qui contient les trois sites de phosphorylation, et un domaine hydrophobe (AA 31-52), qui est ancré dans la membrane du réticulum sarcoplasmique cardiaque. Il a été suggéré qu’une partie du domaine hydrophile se trouve dans une configuration hélicoïdale, et la phosphorylation du phospholamban peut se dérouler ou perturber cette configuration structurelle.10 Les preuves de plusieurs laboratoires ont indiqué l’importance du domaine hydrophile dans la médiation des effets régulateurs du phospholamban sur la pompe Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque.6111213 En fait, il a été suggéré que AA 2-18 dans le phospholamban interagisse avec AA 336-412 et 467-762 dans SERCA2 pour une modification fonctionnelle.14

Il a également été proposé que le domaine hydrophobe du phospholamban présente une structure hélicoïdale. Il n’existe actuellement aucune preuve claire que ce domaine interagisse avec la pompe Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, bien que plusieurs études aient suggéré que la partie hydrophobe du phospholamban joue également un rôle important dans la médiation des effets régulateurs.Les résidus de cystéine 1215 dans le domaine transmembranaire α-hélicoïdal assurent une interaction non covalente entre les formes monomères et contribuent à la stabilisation d’une structure pentamérique pour le phospholamban.16 L’analyse des pentamères de phospholamban a indiqué que la formation de pentamères était celle d’un faisceau hélicoïdal enroulé à gauche, avec un pore ionique cylindrique.17 Des preuves récentes ont démontré qu’une fermeture éclair à la leucine stabilise l’association pentamérique phospholambane et forme un pore ionique central18, ce qui peut permettre un transfert d’ions sélectif Ca2+.19 Cependant, il n’est pas clair actuellement si l’assemblage pentamérique est essentiel à la régulation fonctionnelle du réticulum sarcoplasmique cardiaque Ca2+ ATPase. Des études d’expression dans des systèmes libres de cellules ont indiqué que les formes monomères et pentamériques du phospholamban sont également efficaces pour médier les effets régulateurs sur la pompe Ca2+.14

Une autre théorie sur l’interaction phospholamban–Ca2+-ATPase a proposé une association dimérique des protéines de la pompe Ca2+ autour d’un pentamère phospholamban.20 Ce modèle, basé sur l’anisotropie de phosphorescence résolue dans le temps, décrit une interaction préférentielle entre la pompe sans Ca2+ et le phospholamban déphosphorylé. La phosphorylation de la phospholambane a déstabilisé l’interaction et a entraîné une mobilité rotationnelle accrue de la Ca2+-ATPase dans la membrane du réticulum sarcoplasmique cardiaque.20

Régulation de la contractilité basale du myocarde par le Phospholamban

Le rôle du phospholamban dans la régulation de la contractilité basale du myocarde a été récemment élucidé par le développement d’une souris déficiente en phospholamban.21 Ces souris, créées à l’aide d’une méthodologie de ciblage génétique dans des cellules souches embryonnaires murines, ont présenté une fonction cardiaque hyperdynamique, y compris une augmentation de la fonction systolique, une augmentation des taux de relaxation ventriculaire gauche, 21 et un remplissage ventriculaire amélioré.22 Les cœurs déficients en phospholambane se sont non seulement relâchés plus rapidement que les cœurs de type sauvage, mais ils ont également présenté des paramètres inotropes améliorés, y compris des taux accrus de développement de la pression, qui ont été évalués dans des préparations pour l’exécution du travail21 et in vivo, à l’aide d’analyses échocardiographiques.22 Ces résultats ont été corroborés par des analyses in vitro de cardiomyocytes ventriculaires isolés de cœurs déficients en phospholamban, qui ont également montré une amélioration des taux de relâchement, de raccourcissement et de cinétique Ca2 +.23 Les paramètres contractiles améliorés reflétaient des altérations subcellulaires au niveau du réticulum sarcoplasmique cardiaque. L’affinité de la pompe Ca2+ pour le Ca2+ a été significativement augmentée, ce qui a été associé à une augmentation de la teneur en Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque intraluminal dans les cœurs déficients en phospholamban par rapport aux cœurs de type sauvage.21

L’importance fonctionnelle du phospholamban dans la régulation de la contractilité cardiaque a été étayée dans des études sur des souris hétérozygotes phospholamban, qui ne contiennent qu’un seul allèle ciblé par le phospholamban.24 Les cœurs de ces souris expriment 40% des niveaux de phospholamban présents dans les cœurs de souris sauvages, et cette expression réduite de phospholamban est associée à une augmentation de l’affinité du système de transport du réticulum sarcoplasmique cardiaque Ca2+ pour le Ca2+ et à une augmentation des paramètres contractiles. Il est intéressant de noter que lorsque les niveaux de phospholamban dans les cœurs de type sauvage, hétérozygotes et déficients en phospholamban ont été tracés par rapport aux taux de contraction et de relaxation de ces cœurs, une étroite corrélation linéaire a été observée (Figure 1), suggérant un rôle important du phospholamban dans la régulation des paramètres contractiles basaux dans le cœur des mammifères. De plus, étant donné que les niveaux de l’ATPase Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque n’ont pas été affectés dans ces cœurs génétiquement altérés25, ces données indiquent que les altérations des niveaux de phospholamban, qui peuvent refléter des altérations de la stoechiométrie relative du phospholamban par rapport à l’ATPase Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, sont associées à des altérations parallèles des paramètres contractiles cardiaques. Cependant, la stoechiométrie fonctionnelle du phospholamban au réticulum sarcoplasmique cardiaque Ca2+ ATPase n’est pas connue actuellement. Les études in vitro ont rapporté des valeurs variant entre 1:5 et 5:1 pour le phospholamban /SERCA2. Des études in vivo sur des souris transgéniques, qui surexpriment le phospholamban spécifiquement dans le cœur, ont suggéré que la « stoechiométrie fonctionnelle » du phospholamban / SERCA2 est inférieure à 1:1 dans les membranes du réticulum sarcoplasmique cardiaque natif.26 Les taux de protéines phospholambanes dans les cœurs de ces souris transgéniques étaient deux fois plus élevés que ceux des cœurs de type sauvage, et l’augmentation de l’expression phospholambane a entraîné une inhibition accrue de l’affinité Ca2+-ATPase pour Ca2+, sans aucun effet sur la Vmax de cette enzyme.26 De plus, lorsque les niveaux relatifs de phospholamban par rapport à l’ATPase Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque ont été tracés par rapport aux valeurs CE50 de la Ca2+-ATPase pour le Ca2+ dans les cœurs à surexpression de phospholamban, de type sauvage, phospholamban-hétérozygote et déficients en phospholamban, une corrélation linéaire étroite a été observée (figure 2), indiquant que le phospholamban surexprimé dans les cœurs transgéniques était fonctionnellement couplé à la Ca2+-ATPase. La diminution de l’affinité de l’ATPase Ca2+ pour le Ca2+ dans les cœurs de surexpression phospholambane a été associée à une diminution des paramètres contractiles et à une dépression des transitoires de Ca2+ dans les myocytes cardiaques isolés par rapport aux myocytes des cœurs de type sauvage.26 Les analyses échocardiographiques des cœurs de ces souris transgéniques ont démontré une réduction significative du raccourcissement fractionnel et du raccourcissement circonférentiel par rapport aux cœurs de souris de type sauvage.26 Prises ensemble, ces études chez des souris génétiquement modifiées indiquent que le phospholamban est un puissant répresseur des paramètres de contraction et de relaxation dans le cœur des mammifères.

Le rôle du Phospholamban dans la réactivité β-adrénergique myocardique

Des études sur des cœurs battants isolés et des myocytes cardiaques ont démontré que l’administration de catécholamine entraîne la phosphorylation du phospholamban dans le réticulum sarcoplasmique cardiaque, le phospholemman dans les membranes sarcolemmales et la protéine troponine I et C dans les myofibrilles. Cependant, les taux de réactions de phosphorylation / déphosphorylation sur le phospholamban semblent être plus rapides que ceux des autres phosphoprotéines, et le phospholamban a été suggéré comme un médiateur important des réponses β-adrénergiques dans le cœur des mammifères. La phosphorylation du phospholamban, en réponse à l’augmentation des taux d’AMPc pendant l’administration de β-agonistes, s’accompagne d’une augmentation de l’activité du système de transport du réticulum sarcoplasmique cardiaque Ca2 + et d’une augmentation des taux de relaxation cardiaque.272829 L’augmentation des taux d’absorption de Ca2+ entraîne une augmentation des niveaux de séquestration de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, qui sont disponibles pour les contractions ultérieures, entraînant une augmentation de la force contractile. Cependant, le phospholamban n’est pas seulement phosphorylé par la protéine kinase dépendante de l’AMPc sur la sérine 16 mais également par la protéine kinase Ca2+-calmoduline sur la thréonine 17,89 et la contribution relative de chaque phosphorylation dans les effets inotropes et lusitropes des β-agonistes n’est pas connue à ce jour.

Le rôle fonctionnel du phospholamban dans la voie de signalisation β-adrénergique a été récemment élucidé en utilisant la souris déficiente en phospholamban. Des études in vitro sur des myocytes isolés et des préparations cardiaques de ces souris ont montré une atténuation significative des effets inotropes et lusitropiques de l’isoprotérénol par rapport aux préparations de type sauvage.2123 De plus, des études in vivo utilisant des analyses échocardiographiques de cœurs ablatés en phospholamban ont démontré que les effets stimulateurs β-adrénergiques étaient également atténués chez l’animal intact.22 Ainsi, bien que le phospholamban ne soit pas la seule protéine impliquée dans la transduction de la signalisation β-adrénergique cardiaque, les preuves expérimentales à ce jour indiquent qu’il s’agit d’une protéine majeure. La fonction du phospholamban lors de la stimulation du cœur par les catécholamines suggère un rôle pour cette protéine en tant que « mécanisme de freinage » interne, qui permet une réaction myocardique rapide, de sorte que lorsque l’adrénaline est libérée lors d’une situation de « combat ou de fuite », le « frein » du phospholamban est atténué, permettant une augmentation rapide de la contraction et de la relaxation cardiaques.

Régulation de l’expression du phospholamban

Le phospholamban est le produit d’un seul gène, et il a été cloné à partir de plusieurs espèces dont le porc, le poulet, la souris et l’homme. Il y a >96% d’homologie entre les régions codantes du gène phospholamban parmi ces espèces, et aucune isoforme de phospholamban n’a été détectée à ce jour.30 Le gène phospholamban a été cartographié sur le chromosome 6 humain.31 Études chez la souris ont démontré qu’en ce qui concerne le système circulatoire, le phospholamban est exprimé de manière différentielle, allant de niveaux d’expression élevés dans le muscle ventriculaire à des niveaux intermédiaires dans les muscles myocardiques auriculaires et pulmonaires, et à des niveaux d’expression faibles mais fonctionnellement significatifs dans le muscle lisse aortique. Les niveaux différentiels d’expression du phospholamban dans les compartiments ventriculaire et auriculaire semblaient corrélés avec les différences dans les paramètres contractiles de ces muscles.32

Il a également été démontré que l’expression du phospholamban est régulée pendant le développement et le vieillissement. Des augmentations de l’expression du phospholamban au cours du développement cardiaque ont été observées chez la souris, le poulet, le rat et le lapin.31323334 De plus, il a été suggéré que les diminutions de la phosphorylation phospholambane dans le cœur de rat vieillissant soient associées à une diminution des réponses contractiles de ces cœurs à la stimulation des catécholamines.33

Il a également été démontré que l’expression du phospholamban myocardique était régulée par l’état thyroïdien chez le rat et le lapin.3435 Au cours de l’hypothyroïdie, les taux d’ARNm phospholamban n’ont pas changé dans l’oreillette et le ventricule du lapin, alors que les taux de protéines phospholamban augmentaient dans le cœur du rat. Ces niveaux élevés de phospholamban dans le cœur du rat ont été associés à une diminution des taux d’absorption de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, compatible avec une inhibition accrue de la pompe Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, et à une diminution de la contractilité.34 Des effets régulateurs opposés ont été observés pour l’expression du phospholamban au cours de l’hyperthyroïdie.3435 L’hyperthyroïdie a été associée à une diminution des taux d’ARNm phospholamban dans les oreillettes et les ventricules du lapin et à une diminution des taux de protéines phospholamban dans le cœur du rat. Les diminutions des niveaux de phospholamban se sont traduites par une augmentation des taux d’absorption de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque, compatible avec la désinhibition de la pompe Ca2+ et l’amélioration des paramètres contractiles.

Des études récentes sur les altérations de l’expression génique, qui surviennent lors d’une insuffisance cardiaque, ont indiqué que des altérations du rapport relatif du phospholamban à l’ATPase SR Ca2+ peuvent être une caractéristique de cette maladie.363738 Cependant, il existe une certaine divergence dans la littérature quant à la façon dont l’expression du phospholamban est modifiée lors d’une insuffisance myocardique. Certaines études menées dans des cœurs humains défaillants ont démontré des réductions du mRNA37 phospholamban ou de la protéine phospholamban363738, tandis que d’autres études n’ont observé aucune altération apparente des niveaux de phospholamban des cœurs humains défaillants.39404142 Bien qu’il continue de faire l’objet de controverses concernant les altérations phospholambaniques lors d’une insuffisance cardiaque, il est clair que les altérations intracellulaires, associées à la répression de la contractilité cardiaque, suggèrent un rôle du phospholamban dans l’étiologie de la maladie.

Résumé

Notre compréhension du rôle du phospholamban dans la physiologie cardiaque a évolué au cours des deux dernières décennies au point que cette protéine est maintenant considérée comme un répresseur critique de la contractilité myocardique. Le phospholamban, par ses effets inhibiteurs sur l’affinité de la pompe Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque pour le Ca2+, réprime à la fois les taux de relaxation et de contraction dans le cœur des mammifères. Ces effets inhibiteurs peuvent être soulagés par (1) la phosphorylation phospholambane, (2) la régulation négative de l’expression du gène phospholamban et (3) la perturbation de l’interaction phospholamban–Ca2+-ATPase. Ainsi, les approches génétiques et les interventions pharmacologiques, conçues pour soulager l’action inhibitrice du phospholamban sur la pompe Ca2+ du réticulum sarcoplasmique cardiaque et la relaxation myocardique, peuvent s’avérer précieuses pour inverser les effets de plusieurs maladies du cœur des mammifères. De telles interventions pourraient être conçues pour inhiber la phosphatase phospholamban, stabiliser l’état phosphorylé du phospholamban, interrompre l’interaction phospholamban-Ca2 +-ATPase, diminuer la transcription du phospholamban ou perturber la stabilité de l’ARNm phospholamban. Le développement de telles stratégies thérapeutiques pour cibler le phospholamban sera un objectif futur important pour l’amélioration clinique de la contractilité dans le cœur défaillant.

Notes de bas de page