Les canaux ioniques dans les vésicules membranaires qui interviennent dans le transport des protéines intracellulaires jouent un rôle crucial dans la physiologie cellulaire. Une méthode développée par une équipe Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich permet désormais de les étudier avec une spécificité plus grande que jamais.

De minuscules vésicules liées à la membrane, appelés endosomes et lysosomes, servir de véhicules pour le transport des cargaisons de protéines dans les cellules animales. Intégrées dans les membranes des vésicules se trouvent des protéines appelées canaux ioniques, qui contrôlent le passage des particules atomiques chargées électriquement ('ions') dans et hors de ces organites intracellulaires. Les défauts de ces protéines jouent un rôle central dans la pathogenèse de nombreuses maladies, et la dissection de leurs fonctions moléculaires est vitale pour le développement de thérapies efficaces pour ces troubles. Le PD Christian Grimm et le professeur Christian Wahl-Schott du département de pharmacie (directeur :professeur Martin Biel) au LMU Munich sont parmi les principaux spécialistes européens de l'utilisation de la technique dite du patch-clamp pour l'étude des canaux ioniques dans les membranes cellulaires . Dans le dernier numéro de la revue Protocoles naturels , ils décrivent comment ils ont adapté la méthode pour une utilisation avec des vésicules endolysosomales. Dans une seconde étude, publié dans la revue Cell Chemical Biology, ils montrent ensuite comment le patch clamp peut être appliqué à des classes fonctionnelles spécifiques de vésicules de transport. Cette percée ouvre de toutes nouvelles perspectives pour la caractérisation des canaux ioniques et des mécanismes qui les régulent.

Le système endolysosomal est composé de trois classes distinctes d'endosomes - précoce, endosomes tardifs et recyclés - ainsi que les lysosomes. Ces différents types de vésicules ont des fonctions différentes. Les vésicules endosomales précoces sont formées par repliement de plaques de la membrane cellulaire en réponse à l'activation de, par ex. protéines réceptrices par des molécules de signalisation extracellulaires. Cela permet aux récepteurs d'être retirés de la surface et détachés de leurs ligands activateurs. Les récepteurs sont ensuite soit transmis aux endosomes de recyclage et renvoyés à la membrane cellulaire, ou délivrés aux endosomes tardifs qui les acheminent vers les lysosomes, où ils sont dégradés enzymatiquement. Ce système de trafic participe à de nombreux processus métaboliques et joue un rôle essentiel dans la régulation du métabolisme des métaux lourds et dans la bonne localisation de récepteurs membranaires spécifiques. Les canaux ioniques présents dans les membranes vésiculaires sont intimement impliqués dans toutes ces opérations. « D'après les études de leurs populations de protéines, les lysosomes et les endosomes contiennent jusqu'à 70 protéines de transport de canaux ioniques distinctes, " dit Grimm.

La méthode patch-clamp permet de mesurer le passage de particules chargées à travers des canaux ioniques simples dans des patchs membranaires, et donc de déterminer si le canal est actif ou inactif. Faire cela, on aspire un minuscule morceau de membrane dans une micropipette en appliquant une faible aspiration, assurant ainsi la formation d'un joint étanche entre la membrane et la paroi de la pipette. A l'aide d'une microélectrode, on peut alors appliquer une tension de test et faire passer du courant à travers tous les canaux ioniques présents dans le patch. "Le problème est que, dans leur état normal, les vésicules sont trop petites pour être accessibles via une pipette de patch, ils doivent donc être agrandis avant toute mesure, " dit Grimm. Cependant, les outils pharmacologiques utilisés jusqu'à présent à cette fin agissent indifféremment sur tous les types de vésicules endolysosomales. Dans un effort pour découvrir des agents plus spécifiques, les chercheurs du LMU ont passé au crible une bibliothèque de composés et identifié une combinaison particulière de deux toxines biologiques qui induit sélectivement l'élargissement des endosomes précoces en les faisant fusionner l'un avec l'autre. En outre, ils ont pu démontrer qu'une troisième molécule agrandit sélectivement les endosomes et les lysosomes tardifs. Notamment, aucune de ces substances n'agit sur le recyclage des endosomes.

« Cela représente une avancée significative, parce que nous avons maintenant deux ensembles d'outils qui nous permettent d'employer des approches plus spécifiques et de demander quels canaux sont actifs dans quels types de vésicules, " explique Grimm. En effet, lui et ses collègues ont utilisé les nouveaux agents pour montrer que le canal ionique dit TRPML3, qui contrôle le passage des cations chargés positivement et le pH (niveau d'acidité) au sein des vésicules, est actif dans les endosomes et les lysosomes précoces et tardifs. En revanche, le canal TRPML1 associé se trouve dans les endosomes et les lysosomes tardifs, mais pas dans les endosomes précoces. Des mutations dans les canaux TRPML contribuent à la pathogenèse d'affections congénitales sévères telles que les mucolipidoses, une classe rare de maladies métaboliques qui altèrent le fonctionnement du système nerveux. "Grâce à notre extension du patch clamp aux vésicules intracellulaires, nous pouvons maintenant aborder ces canaux ioniques avec une plus grande sélectivité. Ceci est également important dans la recherche de substances capables d'inhiber spécifiquement les fonctions de canaux ioniques particuliers à des fins thérapeutiques, " fait remarquer Grimm.