Les cellules en bâtonnet

LA PHOTOTRANSDUCTION
Certificat « organes des sens »
2005-2006
S. ALLOUCHE
RAPPELS
•
L’œil reçoit la lumière (entre par pupille, est focalisée sur rétine par cristallin)
•
Il est capable de l’absorber et de la transformer en énergie électrique (par l’intermédiaire
des cellules en cône et en bâtonnet de la rétine)
•
Ce signal électrique est ensuite via le nerf optique transmis au cerveau qui reconstitue
l’image
•
Ceci nécessite une coordination entre l’œil et le cerveau
1.
Emission de rayons lumineux à partir d’un objet. Ces rayons sont focalisés sur la rétine et
forme une image inversée
2.
Sur la rétine, les cellules photoréceptrices qui absorbent la lumière sont alors activées
3.
Les cellules photoréceptrices envoient alors un signal électrique via le nerf optique jusqu’au
cerveau dans le cortex visuel
4.
Ces signaux électriques reçus sont alors « décodés » et une image est alors reconstruite.
5.
Il y a ensuite une interprétation de cette image reconstruite.
Comment se passe la transmission entre le signal lumineux et le signal électrique ?
• C’est au niveau des cellules photoréceptrices présentes dans la rétine que se fait cette
transformation de signal lumineux en signal électrique
La rétine
• Elle est constituée d'une fine membrane transparente qui tapisse toute la surface du fond de
l'œil et contient les cellules photo-réceptrices (sauf au niveau de la tâche aveugle)
• Sa structure : il y a donc plusieurs niveaux de cellules.
- une couche des cellules photo-réceptrices : les cellules en bâtonnet et les cellules en cône
(nommées ainsi de part leur forme).
- les neurones bipolaires constituent une nouvelle couche. En moyenne, 5 à 20 cellules
visuelles sont en relation avec un neurone bipolaire
- 5 à 10 neurones bipolaires sont en relation avec un neurone ganglionnaire (un million dans la
rétine) dont les axones constituent les fibres du nerf optique
• La lumière doit d’abord passer à travers les différentes couches de neurones avant
d’atteindre les cellules photo-réceptrices
La rétine
-l’épithélium pigmenté (mélanine) a
plusieurs rôles:
1. évite le reflet de la lumière vers les
cellules photo-réceptrices
2. Apport de vitamine A
Les cellules photo-réceptrices
Densité en photorécepteurs
dans la rétine centrale
180 000 cônes / mm2
0 bâtonnets
Densité en photorécepteurs
dans la rétine périphérique
3000 à 4000 cônes / mm2
80 000 bâtonnets / mm2
Diamètre d'un cône
1,5 μm
Diamètre d'un bâtonnet
4 μm
• Il y en a environ 110 millions de cellules en bâtonnet dans la rétine humaine. Elles sont surtout
présente dans la rétine périphérique et sont renferment la rhodopsine. Rôle dans vision « faible
lumière »
• les cellules en cône sont au nombre de 6 millions et sont essentiellement présentes dans la
fovéa (placée en position diamétralement opposée à la cornée transparente). Chez l'Homme, on a
pu y mettre en évidence trois sortes de pigments, différents de la rhodopsine, mais sensibles
aussi à la lumière. Rôle dans vision « colorée »
Les cellules photo-réceptrices
• Dans la région de la fovéa, la liaison synaptique des photorécepteurs avec les bipolaires et les
neurones ganglionnaires est approximativement linéaire: chaque cône fovéal dispose ainsi de sa
"ligne privée"max. définition des images analysées par les photorécepteurs (le "grain
rétinien") mais la luminosité doit être suffisante.
 La rétine centrale (fovéale) a donc une excellente acuité et une faible sensibilité = c’est la
vision centrale
• Dans la rétine périphérique, plusieurs cellules en bâtonnet convergent vers le même neurone
ganglionnaire
augmente la sensibilité (faible intensité lumineuse) mais faible résolution.
Les cellules en cône
CôNE
Extrémité
synaptique
Segment interne
• Les cônes, comme les bâtonnets comprennent deux parties:
- le segment interne, contenant le noyau et les autres organites
cellulaires.
La substance photosensible est constituée par le 11-cis rétinal + un
récepteur couplé aux protéine G. C'est un dérivé de la vitamine A, ce
qui explique qu'une carence en cette vitamine A (carottes, fruits, etc...)
entraîne une diminution considérable de la sensibilité de l'œil aux
faibles éclairements (cécité nocturne).
Cil
connecteur
Segment externe
- le segment externe, de forme cylindrique est constitué par un
empilement de replis membranaires qui portent les pigments
photosensibles.
Les cellules en cône
• Les cellules à cône sont impliquées dans la vision des couleurs
• Alors qu’il n’existe qu’un type de cellule photo-réceptrice sensible à la vision
monochromatique (cellules en bâtonnet), il y a 3 types différents de cellules à cône
• Ces cellules permettent la perception des 3 couleurs fondamentales :
-Rouge
-Bleu
-Vert
• Le chromophore est identique pour ces 3 types de cellules, c’est le 11-cis rétinal
• Ce chromophore est lié à des protéines différentes (la composition en AA du
récepteur est quelque peu différente, présence d’AA hydrophiles proches du 11-cis
rétinal)  donne des propriétés spectrales distinctes
• La photo-transduction à partir des cellules à cône est identique à celle des cellules à
bâtonnet
Les cellules en cône
• 6 millions de cellules en cône impliquées dans la vision des couleurs et dans la forme
des images  vision diurne
• 110 millions de cellules en bâtonnet impliquées dans la vision monochrome (noir et
blanc) mais extrêmement sensibles à la lumière  vision nocturne
• Différence de réponse entre cellules en cône et cellules en bâtonnet : plus de
sensibilité à la lumière pour cellules en bâtonnet (ex : lorsque l’on passe d’un endroit
éclairé à un endroit sombre temps d’adaptation) et photo-réponse plus rapide pour
les cellules en cône
• La photo-tranduction : c’est une cascade de réactions biochimiques qui se
déroulent dans les cellules photo-réceptrices aboutissant à une impulsion électrique au
niveau de la synapse terminale qui ensuite sera véhiculée par les autres cellules de la
rétine, puis via le nerf optique jusque dans le cerveau ou le signal sera décodé.
Les cellules en bâtonnet
Extrémité
synaptique
•
BATONNET
Segment interne
1. Long et cylindrique
2. Un segment externe et un segment interne séparés
par un cil connecteur
Cil
connecteur
Segment externe
Structure :
3. Dans le segment externe : empilement de disques
plats membranaires contenant les photo-récepteurs,
les canaux sodiques et calciques
4. Dans le segment interne : Na/K ATPase,
mitochondries (ATP pour la Na/K ATPase), noyau
5. A l’extrémité : le bouton synaptique
Cellules capables de capter signaux lumineux dans bleu-vert (l = 500nm)
Les cellules en bâtonnet
• Zoom sur le segment externe
Les cellules en bâtonnet
• Formation des disques membranaires plats contenant les photo-récepteurs
• A partir du cil intermédiaire, formation des disques membranaires
•Renouvellement régulier par phagocytose niveau de l’épithélium pigmenté
Les cellules en bâtonnet :
Propriétés électriques
• Les cellules photo-réceptrices ont des propriétés électriques différentes des cellules
nerveuses « classiques » :
-leur potentiel de repos ~ - 30 mV (contre –60 à –90 mV) elles sont dépolarisées
• A l’obscurité, elles vont libérer en continue leurs neurotransmetteurs à l’extrémité
synaptique (dont le glutamate) stimulation des autres cellules (bipolaires et
ganglionnaires)
• L’absorption de lumière par les cellules photo-réceptrices va conduire à une
hyperpolarisation avec un potentiel membranaire de – 35 mV
« dark current »
Les cellules en bâtonnet :
Propriétés électriques
• Cette hyperpolarisation s’étend le long de la cellule photo-réceptrice vers l’extrémité
synaptique et inhibe la libération de neurotransmetteur
• Courants ioniques et dépolarisation / hyperpolarisation
Ca2+
Ca2+
Les cellules en bâtonnet :
Propriétés électriques
• A l’obscurité, le courant est lié à l’entrée de Na+ et de Ca2+ par l’intermédiaire de
canaux présents sur le segment externe et à la sortie de K+ au niveau du segment
interne (mouvements dictés par gradient de concentration)
• Ce gradient ionique est maintenu grâce à la Na+ / K+ ATPase (3 sodium contre 2
potassium), échangeur Na+ / Ca2+, K+
• La présence de lumière va déclencher la fermeture de ces canaux ioniques et éviter
l’accumulation de charges positives à l’intérieur des cellules photo-réceptrices
• La quantité de photon nécessaire au déclenchement de la fermeture des canaux
ioniques peut être très faible :
Un seul photon peut provoquer l’hyperpolarisation d’1 mV dans une cellule
 Il existe des mécanismes qui entre l’absorption de la lumière et l’hyperpolarisation
vont permettre l’amplification de ce signal : c’est la photo-transduction
Les cellules en bâtonnet
•
La rhodopsine ou le pigment visuel :
Elle est composée :
1. D’une protéine qui est appelée opsine qui est composée de 7 domaines
transmembranaires organisés en hélice alpha. C'est le premier RCPG à avoir été
cloné, en 1984, et ce, chez l'homme. Depuis lors, l'ADNc de cette protéine a été
cloné chez de nombreuses espèces animales (bovins).
2. D’un chromophore (c’est une molécule qui va absorber la lumière à une certaine
longueur d’onde) qui dans le cas de la rhodopsine est le 11-cis rétinal. Ce
chromophore est lié de manière covalente à l’opsine par l’intermédiaire d’une base
de schiff.
Le 11- cis rétinal provient du b-carotène qui est métabolisé dans la muqueuse
intestinale
Les cellules en bâtonnet
• Synthèse du 11-cis rétinal :
-Sission par oxydation du b-carotène
- Transformation rétinal  en 11-cis rétinal
- Mise en réserve dans le foie sous la forme ester de vitamine A après réduction du
rétinal en rétinol (ou vitamine A1) par la rétinol deshydrogénase.
Après action d’une estérase, la vitamine A se trouve complexée avec une molécule
de palmitate.
- Le rétinol sera ensuite acheminé jusqu’à par RBP via l’épithélium pigmenté
jusqu’aux récepteurs dans disques membranaires
Les cellules en bâtonnet
348 AA
39 kDa
2 chaînes
Oligosaccharides
extracellulaires
11-cis rétinal
Les cellules en bâtonnet
• La rhodopsine est un récepteur couplé aux protéines G (RCPG) un peu particulier,
dans le sens où c'est un récepteur associé à son ligand. En effet, une molécule de 11cis-rétinal est associée de manière covalente à un résidu de lysine du TM VII (296) de
l’opsine, et ce, par l'intermédiaire d'une base de Schiff. Ce rétinal est localisé dans la
partie supérieure de la poche hydrophobe formée par les segments TM.
• La chaîne latérale d'un acide glutamique du TM III constitue le contre-ion qui stabilise
le 11-cis-rétinal.
D’autres résidus participent aux interactions : Gly 121 (TMIII), Phe 261 et Trp 265 (TM
VI).
Les cellules en bâtonnet
• La liaison covalente du 11-cis rétinal sur l’opsine contribue à maintenir le récepteur
dans sa conformation inactive (mutant constitutivement actif quand Lys296Gly)
• D’autre part, les régions extracellulaires sont « rigides » et cela va réduire l’activation
spontanée du récepteur en absence de lumière
intérieur
extérieur
Vue côté cytoplasmique
Les cellules en bâtonnet
• Propriétés physico-chimiques du 11-cis rétinal :
Ce chromophore est donc capable d’absorber les photons de la lumière.
Le maximum d’absorbance est obtenu à 380 nm lorsqu’il est à l’état libre et lorsqu’il
est fixé sur l’ospine, ce maximum est d’environ 500 nm pour les bovins et de 560 nm
pour l’homme.
Les cellules en bâtonnet
•
Lorsque le 11-cis rétinal absorbe les photons, il se produit alors une isomérisation
avec le passage à la forme tout-trans rétinal (les électrons vont aller sur des
orbitales de plus haute énergie, cela va « casser » la double liaison entre les
carbones C11 et 12 du 11-cis rétinal et permettre une libre rotation et l’obtention du
tout-trans rétinal).
•
L’isomérisation ne se produit pas spontanément mais grâce à l’absorption de
photons mais pas systématiquement. Cette étape est très rapide < quelques
picosecondes (10-12 sec)
•
Cette isomérisation du chromophore déclenche à son tour l’hydrolyse de la base de
schiff entre l’opsine et le rétinal. La forme tout-trans rétinal est alors libérée.
•
Le récepteur va alors passer dans une conformation active et initier une cascade de
réactions biochimiques conduisant à la transmission d’un signal électrique
Les cellules en bâtonnet
• Isomérisation du 11-cis rétinal en tout-trans rétinal
Liaison sur la Lys296
de l’opsine
Les cellules en bâtonnet
• Etats intermédiaires entre la rhodopsine inactive (11-cis rétinal) et l’opsine sous forme
libre :
Ces différents états ont été mis en évidence à basses températures et possèdent des
propriétés spectrales distinctes. Citons la bathorhodopsine qui contient le tout-trans
rétinal. Parmi ces intermédiaires, seule la métarhodopsine II est la forme active pour la
transmission du signal
Les cellules en bâtonnet
R*
Les cellules en bâtonnet
rhodopsine
bathorhodopsine
TRANSDUCINE
• La metarhodopsine II qui correspond à l’état activé du récepteur (R*) va stimuler des
protéines G qui ne sont uniquement exprimées dans les cellules photo-réceptrices :
les transducines.
TRANSDUCINE
• Dans la membrane des disques présents dans le segment externe, les récepteurs
activés sont mobiles et une molécule de récepteur est capable d’activer environ une
centaine de molécules de transducine : c’est une étape d’amplification du signal.
• Les transducines sont composées de 3 sous-unités : Ta, Tb et Tg.
• Au repos, la transducine existe sous l’état hétérotrimérique.
• L’interaction métarhodopsine II (2ème et 3 ème boucle intracellulaire) avec Ta, va
catalyser la libération du GDP en permettant un changement de conformation et
l’ouverture de la « poche de liaison des nucléotides guanyliques ». Des études par
mutagénèse dirigée ont montré que le pont disulfure formé par les Cys 110 et 187 liant
le TM III et la 2ème boucle intracellulaire était indispensable à l’activation de la protéine
G. Cette interaction fait également intervenir l’extrémité carboxy-terminale du récepteur
avec l’extrémité carboxy-terminale de la sous-unités a.
• Il en résulte la fixation du GTP sur Ta, qui a son tour provoque la dissociation de
l’hétérotrimère en Ta et bg.
•Ta-GTP se dissocie de R* et va activer la GMPc-phosphodiestérase
TRANSDUCINE
TRANSDUCINE
Guanylate cyclase et GMPc
• La guanylate cyclase est l’enzyme qui permet la production de GMPc à partir du GTP
• C’est une protéine oligomérique intégrale de la membrane plasmique
• Lors d’un flash lumineux, la concentration en calcium chute de 500 à 100 nM dans la
cellule photo-réceptrice : ceci est due à la fermeture des canaux Na+ / Ca2+ GMPcdépendant et à la [GMPc] via la phosphodiestérase
•C’est une protéine dont l’activité est régulée par le calcium via des protéines : GCAP1
et 2. Lorsque les concentrations cytosoliques de calcium diminuent de 500 et 100 nM,
l’activité de cet enzyme est multipliée par 5-20.
• Ceci stimule la guanylate cyclase qui  [GMPc]
• Il se produit alors une ré-ouverture des canaux ionique et une augmentation des
concentrations en calcium.
• L’activité de la guanylate cyclase est alors réduite
Guanylate cyclase et GMPc
GMPc-PHOSPHODIESTERASE
• A l’obscurité, on retrouve une forte concentration de GMPc dans le segment externe
des cellules en bâtonnet.
•Ce composé contrôle l’ouverture des canaux ioniques (Na+ et Ca2+ qui rentrent dans la
cellule et produisent une dépolarisation des membranes) en se fixant directement
dessus
extérieur
intérieur
GMPc-PHOSPHODIESTERASE
PDE
• La GMPc phosphodiestérase (PDE) est une protéine membranaire composée de 4
sous-unités :
-2 sous-unités catalytiques a et b
-2 sous-unités inhibitrices identiques g
• A l’obscurité, la PDE se trouve à l’état d’hétérotétramère inactif.
• En présence de lumière, une molécule de transducine activée (Ta-GTP) va pouvoir se
complexer aux sous-unités g, libérant ainsi les 2 sous-unités catalytiques a et b
(activation d’une molécule de PDE)
• la PDE peut hydrolyser plus de 1000 molécules de GMPc / sec
GMPc-PHOSPHODIESTERASE
• La PDE en abaissant le taux de GMPc cytosolique va provoquer une fermeture des
canaux ioniques.
• Lorsque les canaux ioniques sont fermés, il se produit une hyperpolarisation des
membranes.
• Lorsque les canaux ioniques sont ouverts, il y a dépolarisation
• C’est l’alternance dépolarisation / hyperpolarisation qui provoque le signal électrique
décodé par le cerveau
Régulation du signal :
La transducine
• Suite à la stimulation par la lumière, le système doit revenir dans son état initial :
C’est l’adaptation visuelle
•
Il existe de nombreux mécanismes de régulation dont le premier se déroule sur la
transducine Ta-GTP
1. Hydrolyse de GTP en GDP par l’activité GTPasique intrinsèque
In vitro, cette activité GTPasique est trop faible pour rendre compte de la vitesse
rapide d’inactivation. Deux autres protéines interviennent de manière coordonnée
pour accélérer cette activité :
- PDE g
- RGS 9 (regulatory G-protein signaling)
Régulation du signal :
La guanylate cyclase (GC)
• 2. L’activité de la GC est régulée par le calcium intracellulaire :
- A l’obscurité, 500 nM calcium intracellulaire et par l’intermédiaire de protéines qui
forment des complexes avec le calcium  inhibition de la guanylate cyclase (fixation
directe sur la GC par les protéine calmoduline-like)
- Après activation de la rhodopsine, fermeture des canaux ioniques et les concentrations
cytosoliques de calcium diminuent à 100 nM levée de l’inhibition et augmentation de
l’activité de cet enzyme
Régulation du signal
GTP
2
GC
GMPc
3
1
GMP
Régulation du signal :
Phosphorylation du récepteur
3. Les cascades biochimiques de la photo-transduction sont enfin terminées par la
phosphorylation de la rhodopsine
Le récepteur activé R* repasse ainsi sous sa conformation inactive R
•
La phosphorylation est réalisée par la rhodopsine kinase (RK) ou GRK1 (G-protein
receptor kinase) qui permet ensuite au récepteur phosphorylé d’interagir avec une
autre protéine l’arrestine
•
Ces mécanismes sont similaires à ceux décrits pour la désensibilisation de la
super-famille des récepteurs couplés aux protéines G
Régulation du signal :
Phosphorylation du récepteur
• Premières données sur phosphorylation rhodopsine après flash lumineux datent des
années 1970
• Caractérisation de la RK en 1988 par analogie entre la phosphorylation du récepteur
b2-adrénergique par la bark et celle de la rhodopsine
• Clonage de ces GRK et classification selon leur homologie de séquence :
• La Rhodopsine Kinase (RK) ou GRK1 et la GRK7 ou « cone opsin kinase »
appartiennent au groupe 1
• Expression de la GRK1 et de la GRK7 à la fois dans les cellules en bâtonnet et en
cône
GRK et phosphorylation du récepteur
GRK et phosphorylation du récepteur
•
Mécanisme d’activation de la RK par R* (modèle) :
1. Présence de la RK à l’état inactif
2. Activation de la rhodopsine par un flash lumineux R  R*
3. Formation d’un complexe stable R*(état métarhodopsine)-RK et activation de la
kinase : rôle des 2ème et 3ème boucles intracellulaires dans l’interaction et l’activation
de la RK
4. Proximité domaine catalytique de la RK et des sites des phosphorylation (dans
l’extrémité carboxy-terminale)
5. La RK pourrait ensuite aller phosphoryler d’autres rhodopsines inactives par
diffusion
GRK et phosphorylation du récepteur
GRK et phosphorylation du récepteur
•
In vitro, 1 molécule de rhodopsine peut être phosphorylée jusqu’à 9 résidus par
la RK
•
Il existe 3 sites majeurs de phosphorylation : Ser 334, Ser 338 et Ser 343
•
In vivo, phosphorylation en premier sur Ser 343 et Ser 338 puis Ser 334
•
Il semblerait que plus il y a de phosphorylation (au moins 3), plus le récepteur est
inactivé
•
Conséquences des phosphorylation :
1. Réduction du couplage aux transducines
2. Formation d’un complexe R*-P avec l’arrestine (compétition avec Ta)
Régénération
• Régénération : elle se produit à l’obscurité et va consister en :
1. La déphosphorylation de l’opsine par des phosphatases
2. Isomérisation du tout-trans rétinal en 11-cis rétinal + combinaison avec l’opsine
(cycle court)
3. Lorsque la stimulation est intense, réduction du tout-trans rétinal en tout-trans rétinol
par une deshydrogénase présente dans le segment externe (cycle long)
Cette forme réduite est alors transportée vers l’épithélium pigmentaire où se trouve
une rétinol isomérase et permet le passage tout-trans rétinol 11-cis rétinol.
Action d’une alcool deshydrogénase pour transformer le 11-cis rétinol  11-cis rétinal.
Le chromophore va alors pouvoir se complexer de nouveau à l’opsine pour reformer la
rhodopsine.
Régénération
h

Rhodopsine
Cycle
court
Rétinal "cis" +
opsine
Recomposition rapide
Rétinal "trans" +
opsine
Passage dans la circulation
Rétinol "cis"
Rétinol "trans"
Cycle
long
Résumé
Pathologies
•
Il existe de nombreuses maladies héréditaires humaines
touchant la rétine dont la rétinite pigmentaire (groupe très
hétérogène) : cela se traduit par une dégénérescence de
la rétine ou une cécité nocturne
•
La photo-transduction implique plusieurs protéines 
plusieurs gènes mais identification d’anomalies dans les
gènes suivants :
1. Rhodopsine
2. PDE (sous-unités a et b)
3. GC
4. RK
5. Transducine
6. Arrestine
Pathologies
1. Mutations de la Rhodopsine
•
30-40% cas de rétinite pigmentaire (cécité autosomique dominante) sont
causés par mutations faux-sens ou des décalage du cadre de lecture dans le
gène de la rhodopsine. La mutation Pro23 His (cause une dégénérescence
rétinienne) est la plus fréquente mais + de 100 mutations décrites.
•
Les mutations dans les régions extracellulaires empêchent stabilisation de la
forme de l’opsine capable de lier le chromophore.
•
Les mutations dans la région C terminale empêchent une exportation correcte
des récepteurs synthétisés
•
Les mutations dans les domaines TM conduisent à un récepteur
constitutivement actif (phosphorylé et bloqué par l’arrestine)
Pathologies
2. Maladie d’Oguchi
•
C’est une maladie autosomique récessive qui est responsable d’une cécité nocturne
•
L’arrestine ou la RK peuvent être mutées
•
Mutation de l’arrestine décrite en 1995 chez un patient d’origine japonaise. La
mutation non-sens conduit à l’apparition d’une protéine tronquée
•
Mutations dans la RK (délétion, faux-sens) conduisent à une protéine avec une
activité kinasique déficiente. Dans ce cas, la cascade de photo-transduction est
normale mais la phase de régénération est très ralentie.