Molécules olfactives

L’OLFACTION
Certificat « organes des sens »
2006
S. ALLOUCHE
GENERALITES
•Définition : l’olfaction c’est la détection de molécules odorantes (substances
chimiques) qui sont inhalées (présentes à l’état gazeux)
• Olfaction : fonction sensorielle conservée dans évolution
• Communication entre un individu et son environnement
• Rôle : identification nourriture, membres d’une espèce (mère et nouveau-né,
mâle-femelle..), prédateurs
• Fonction : plaisir (odeur fleurs, nourriture) et alerte (danger chimique)
LOCALISATION ANATOMIQUE
• Localisation : dans cavité nasale : épithélium olfactif (petite région ~ 5 cm2 où ~
10 millions de neurones olfactifs bipolaires) (taille variable selon espèces)
• Les molécules olfactives = composés volatils transportés air
dopamine
NERF TRIJUMEAU
• Dans épithélium olfactif : il y a autre système nerveux le nerf trijumeau
• Nerf V : sensoriel et moteur
• Sensibilité tactile, pression, douleur et température dans cavité nasale
• ex : inhalation de menthol : sensation de froid mais quand fortes
concentrations sensation chaud
• Epithelium olfactif + V dans les sensations olfactives
-
Exemples molécules stimulant V :
Isothiocyanate (moutarde)
Diallyl sulfide (oignon)
Menthol
camphre
REGION OLFACTIVE
• Epithelium olfactif : neurones avec projections cils (8-20 / neurone) dans mucus
• Cellules olfactives à la base de épithélium : division pour former neurones
olfactifs (demi-vie 40 jours); Bulbectomie stimule neurogénèse (via neuropeptide Y
par cellules soutien = sustentaculaires)
• Mucus : sécrétions aqueuses riches lipides (transport molécules odorantes) par
glandes de Bowman
• Regroupement 10-100 axones et connexion dans bulbe olfactif
• Convergence vers cellules mitrales : connections = glomerules
NEURONES OLFACTIFS
• Neurones olfactifs : sites réception des molécules odorantes et transduction
RECEPTEURS OLFACTIFS
• Récepteurs olfactifs : expression sur les cils des neurones olfactifs
• Rôle : liaison des molécules odorantes et transduction
• Transduction complexe : récepteur = RCPG
• Seconds messagers (AMPc, IP3, NO, GMPc), canaux ioniques signal électrique
MOLECULES OLFACTIVES
• Molécules olfactives :
• petites molécules, capables de se vaporiser, lipophiles
• Agissent à faibles concentrations
• + 1000 odeurs distincts
Odeur cerise, amande
Odeur poivre
Odeur urine
MOLECULES OLFACTIVES
• Les molécules olfactives n’agissent pas directement sur leurs récepteurs OBP
(odorant-binding protein)
• OBP = transporteur dans mucus nasal. Autres rôles : filtres (évite saturation
récepteurs olfactifs), permet de concentrer les molécules olfactives près
récepteurs
• Découverte des OBP : les molécules olfactives sont lipophiles et mucus = milieu
aqueux hyp: il existe des protéines qui transportent les odeurs à travers mucus
sur récepteurs
• Découverte 1ère OBP (1982) en utilisant des molécules olfactives radioactives
MOLECULES OLFACTIVES
•Les OBP appartiennent à la famille de protéines transporteurs de molécules
hydrophobes (RBP)
• Il existe différentes isoformes OBP (affinités différentes selon molécules
olfactives)
• OBP sécrétées par glande nasale latérale  humidification air inspiré et OBP piège
odeurs
• OBP ont rôle opposé : élimination odeur de l’épithélium olfactif et cils
RECEPTEURS OLFACTIFS
• Découverte en 1991 par 2 équipes des récepteurs olfactifs ou RO (protéines à
7 domaines TM)
• Plusieurs gènes de ces récepteurs : famille de gènes mais expression localisée
épithélium olfactif. RO est groupe + important de la famille des RCPG
• Chez homme : 350 gènes RO et 560 pseudo-gènes (non fonctionnels par
variations qui décale ORF ou arrêt par codon stop). + nombre gènes important +
diversité odeurs importante (ex: 30-50 gènes chez poissons)
• Localisation gènes RO sauf Y et chromosome 20 regroupés en cluster. Sur
chromosome 11 : contient 42 % RO
• Taille gènes RO : 1 kb et sans intron
LOCALISATION CHROMOSOMIQUE DES RECEPTEURS OL
RECEPTEURS OLFACTIFS
RECEPTEURS OLFACTIFS
•Motifs conservés parmi ces RO : IL 1, TM 3, ICL 3, TM 5, 6 et 7
• Pour expliquer diversité odeurs régions hypervariables (TM 3, 4 et 5) qui
formeraient « poche de liaison »
• Selon études, récepteurs
étudiés, molécules
olfactivespas mêmes
résultats
• ex: TM 3-7 pour octanal
• ex : TM 3, 5 et 6 hexanol
RECEPTEURS OLFACTIFS
• Dans un neurone olfactif : 1 seul RO est exprimé – Théorie à partir 1 seule étude
(44% cellules avec 1 RO et 56 % pas de RO). Jamais plusieurs RO dans 1 même
neurone olfactif.
• Expression mono-allélique : paternel ou maternel pour éviter expression 2 RO
différents
• Hyp : analogie avec TcR / BcR des lymphocytes – réarrangement ADN dans
précurseurs des neurones olfactifs sans création nouvelle séquence ni alteration
gènes mais restriction d’expression à un seul gène sur un allèle dans un neurone
olfactif
• Expression localisée des RO: démontrée dans plusieurs espèces (pas étudiée chez
homme). Dans épithélium olfactif : 4 zones – 1 gène RO exprimé dans faible nombre
de neurones olfactifs regroupés dans 1 des 4 zones
• Ces neurones olfactifs avec même RO projetent leurs axones vers 1 ou 2
glomérules du bulbe
RECEPTEURS OLFACTIFS
• Le glomérule serait l’unité fonctionnelle d’intégration des informations
olfactives provenant des neurones
 Existence d’une cartographie dans bulbe où intégration spécifique des odeurs
RECEPTEURS OLFACTIFS
•
Clonage des RO en 1991 et preuve directe que c’était des récepteurs aux
odeurs en 1998
•
Difficulté d’expression de RO fonctionnels dans système hétérologue car
retenus dans RE (possible si ajout en N terminal peptide dérivé R-5 HT)
•
Groupe Firestein : dans un adénovirus gène pour un RO rat + GFP
1.
Introduction de l’adénovirus modifié chez rat et visualisation fluorescence
dans épithélium olfactif
Electro-olfactogramme : mesure activité électrique des neurones olfactifs
quand exposition molécules odorantes (74 testées)
2.
• Les gènes codant pour RO sont exprimés dans d’autres tissus que épithélium
olfactif : cellules erythroïdes et spermatozoïdes mature (rôle dans
chimiotactisme)
RECEPTEURS OLFACTIFS
• Reconnaissance des odeurs par récepteurs ? + 1000 odeurs différentes et 350
gènes RO
• 1 type RO / neurone mais 1 RO peut reconnaître 1 ou plusieurs odeurs ?
• 1 RO peut lier plusieurs molécules olfactives distinctes ou inverse 1 molécule
olfactive peut activer plusieurs RO  plusieurs glomérules
• Les protéines G :
TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF
• Implication protéines G suggérée avant clonage RO par effet GTP et analogues +
production AMPc
• Identification protéines G dans épithélium olfactif par clonage à partir banque
ADNc
• Gaolf exclusivement exprimée dans épithélium olfactif
• Gaolf permet activation AC, PLC ?? (car pas Gq et production IP 3)
• Souris KO Gaolf réduction majeure réponse électrique quand stimulation par
odeurs
TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF
• L’AMPc
• Démo biochimique sur des neurones olfactifs rat de l’augmentation taux AMPc
quand stimulation par odeurs (1985, 86) + GTP
• Etudes électrophysiologiques :  AMPc pourrait déclencher dépolarisation en
régulant des canaux ioniques AMPc-dépendant
• Rôle seconds messagers pour régulation canaux ioniques : temps de latence /
régulation directe des canaux ioniques
• Certaines odeurs stimulent AC type III (fruitée, herbe, fleurs) d’autres très
peu autre seconds messagers (IP 3 ?)
• Stimulation production AMPc par odeurs sous dépendance du calcium
intracellulaire ( Ca2+ inhibe AC) – Pic en 15 sec puis  progressive sur qq minutes
 retour basal
• Réponse sur AMPc biphasique : faibles concentrations odeurs = stimulation et
fortes concentrations odeurs = effet moins important
TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF
• Régulation du signal AMPc par les PDE (phosphodiestérase) :
• hyp : régulation du signal AMPc par RO en activant les PDE
• Dans épithélium olfactif, expression de plusieurs PDE dont la PDE1C2
(calcium/calmoduline) explication effet inhibiteur du calcium sur taux AMPc
• Lien entre  AMPc et dépolarisation neurones olfactifs ??
TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF
• Canaux ioniques :
• Les canaux ioniques sont directement impliqués dans transmission signal
électrique dans les neurones olfactifs
• Les neurones olfactifs expriment canaux ioniques niveau cils et terminaisons
dendritiques
• Canaux ioniques régulés par les nucléotides cycliques
• Canaux chlore régulés par le calcium
CANAUX IONIQUES AMPc DEPENDANT
• Présence dans les cils (peu dans soma) des neurones olfactifs d’une forte densité
de canaux à cations régulés par AMPc qui laissent entrer surtout calcium
• arguments implication de ces canaux :
- En patch-clamp molécule olfactive  ouverture canaux identique celle observée
sur canaux régulés par AMPc
- Souris KO pour ces canaux ont anosmie pour toutes odeurs (électroolfactogramme)
CANAUX IONIQUES AMPc DEPENDANT
• Ces canaux sont composés de 2 sous-unités (Gcn1 et 2)
• Canaux perméables calcium mais aussi sodium et potassium
• Régulation de ces canaux par calcium intra et extracellulaire - inhibition quand 
calcium intracellulaire
• En conséquence,  AMPc   calcium intracellulaire (3ème messager)
CANAUX IONIQUES ACTIVES PAR CALCIUM
• Dans cils neurones olfactifs, canaux chlore régulés par calcium
• Activés quand concentrations micromolaires de calcium (entrée par canaux AMPc
dépendant)
• Canaux chlore ouverts  sortie de chlore hors neurones
• Entrée de calcium + sortie chlore  dépolarisation neurones olfactifs
• Puis activation des canaux potassiques repolarisation
AUTRES CASCADES DE TRANSDUCTION
• Voie des IP3 :
• Rôle bien connu PLC dans SNC pour  IP3 libération calcium à partir stocks
intracellulaires et entrée à partir du calcium extracellulaire
• Et dans l’olfaction ?
• Sur des neurones olfactifs (culture primaire), certaines molécules  IP3
• Place  IP3 dans transduction ? Controversé : électrophysiologie aucun effet
IP3 sur réponse précoce suite à stimulation par molécules olfactives
• Quand souris KO pour cascade AMPc  pas réponse des neurones olfactifs
•Hyp :- AMPc indispensable pour phases initiales dépolarisation
-IP3 impliqué dans d’adaptation cellulaire (modulation réponse)
• Rôle IP3 pas clair
AUTRES CASCADES DE TRANSDUCTION
• Voie du GMPc :
• GMPc produit dans neurones olfactifs quand stimulation par odeurs mais - /
AMPc mais réponse + tardive mais soutenue dans temps  hyp : rôle dans
désensibilisation
• GMPc produit par guanylate cyclase soluble (+ par NO et CO) et récepteur (+
par calcium)
• NO produit par NO synthase (uniquement exprimée dans neurones olfactifs lors
développement)
• CO produit par hème oxygénase lors dégradation hème en biliverdine. Hème
oxygènase exprimée dans neurones olfactifs (rat) et stimule à partir GTP
production GMPc
• Quand inhibition guanylate cyclase solubles  pas blocage total augmentation
GMPc – Rôle des guanylate cyclase récepteurs
• Effets  GMPc ? Ouverture canaux ioniques nucléotides cycliques dépendant
RECAPITULATIF
CODAGE ET PERCEPTION DES ODEURS
• Dans schéma simple : dans un neurone olfactif  1 type RO  AMPc 
dépolarisation et transmission nerveuse
• Comment notre nez interprète la grande variété d’odeur ?
• HYP de l’approche combinatoire :
- Une odeur peut se fixer et activer différents récepteurs
-Les odeurs vont activer des récepteurs = lettre de l’alphabet
- Selon les récepteurs activés  « phrases » décodées par cerveau (cortex et
système limbique pour émotions)
DESENSIBILISATION
• Comme la plupart RCPG  phénomène de régulation lors stimulation prolongée =
désensibilisation
• Phosphorylation / Découplage / Internalisation
• Dans neurones olfactifs : GRK 3 et beta-arrestine 2
• Quand blocage GRK 3 et beta-arrestine 2 par anticorps neutralisant   +
importante AMPc et blocage désensibilisation (Idem souris KO GRK 3)
• Rôles de PKA / PKC ??
• Rôle du GMPc dans phénomène d’adaptation et désensibilisation
•Site sur olfaction :
www.cf.ac.uk/biosi/staff/jacob/teaching/sensory/olfact1.html