Les protéines kinases diffèrent par leur distribution cellulaire et subcellulaire, leur spécificité de substrat et leur régulation
Ces propriétés déterminent les rôles fonctionnels joués par les plus de 70 types de protéines kinases trouvés dans les tissus de mammifères, dont la plupart sont connus pour être exprimés dans les neurones. Les principales classes de protéines sérine-thréonine kinases dans le cerveau, énumérées dans le tableau 24-1, sont couvertes dans ce chapitre. Les principales classes de protéines tyrosine kinases dans le cerveau sont discutées au chapitre 25. Parmi les protéines kinases les mieux étudiées dans le cerveau figurent celles activées par les deuxièmes messagers cAMP, cGMP, Ca2 + et DAG.
La protéine kinase dépendante de l’AMPc (protéine kinase A; PKA) est composée de sous-unités catalytiques et régulatrices. L’holoenzyme de la kinase, qui consiste en un tétramère de deux sous-unités catalytiques (C) et deux sous-unités régulatrices (R), est inactive. L’AMPc active l’holoenzyme en se liant aux sous-unités régulatrices, provoquant ainsi la dissociation de l’holoenzyme en sous-unités catalytiques régulatrices libres et actives libres. Trois isoformes de la sous-unité C, chacune d’environ 40 kDa, et quatre isoformes de la sous-unité R, chacune de 50 à 55 kDa, ont été clonées à partir de tissus de mammifères. Les trois sous-unités C, désignées Ca, Cß et Cy, présentent une spécificité de substrat très similaire et large, c’est-à-dire qu’elles phosphorylent un grand nombre de protéines de substrat physiologiques, et peuvent généralement être considérées comme des isoformes les unes des autres. Les quatre sous-unités R sont constituées de deux formes chacune de protéines de type I et de type II. RIIa et RIIß, mais pas RIa et RIß, subissent une autophosphorylation, comme décrit ci-dessous. La plupart de ces sous-unités R et C de la protéine kinase présentent une large distribution cellulaire dans le cerveau.
L’activité PKA est présente dans toute la cellule, associée à la membrane plasmique et aux fractions cytoplasmique et nucléaire. La kinase est fortement compartimentée au sein de la cellule, en grande partie via une série de protéines d’ancrage, appelées protéines d’ancrage kinase (AKAPs). Plusieurs formes d’AKAPs sont connues, beaucoup d’environ 75 à 79 kDa. Les AKAPs se lient spécifiquement avec les sous-unités RIIa et RIIß de la protéine kinase et attachent ainsi ces sous-unités régulatrices et leurs sous-unités catalytiques liées à des sites subcellulaires spécifiques, par exemple des densités postsynaptiques. Les densités postsynaptiques sont des spécialisations dans les dendrites distales qui apposent des terminaisons nerveuses présynaptiques et sont censées contenir certains des récepteurs des neurotransmetteurs et d’autres protéines nécessaires à la transmission synaptique. De cette façon, les AKAPs maintiennent la protéine kinase à proximité de la cascade de protéines de transduction de signal qu’elle phosphoryle pour réguler la transmission synaptique. Le rôle important joué par les AKAPs dans des conditions physiologiques est indiqué par des expériences dans lesquelles il a été démontré que des polypeptides synthétiques qui perturbent les interactions AKAP—RII perturbent les effets physiologiques spécifiques de la PKA.
La protéine kinase cGMP-dépendante (PKG) est un dimère de deux sous-unités identiques. Chaque sous-unité, avec un Mr de ~ 75 000, contient un domaine régulateur, qui lie le cGMP, et un domaine catalytique. Comme pour l’enzyme cAMP-dépendante, la cGMP active l’holoenzyme inactive en se liant au domaine régulateur de la molécule; cependant, contrairement à l’enzyme cAMP-dépendante, l’activation de l’holoenzyme cGMP-dépendante ne s’accompagne pas d’une dissociation des sous-unités. La PKG montre une distribution cellulaire et une spécificité de substrat beaucoup plus limitées que la PKA. Cela reflète le plus petit nombre d’actions de second messager de cGMP dans la régulation de la fonction cellulaire.
Protéines kinases dépendantes du calcium et de la calmoduline (kinases CaM; CaMKs) sont l’une des deux principales classes de kinases dépendantes du calcium dans le système nerveux. Le cerveau contient au moins six principaux types de CaMK, chacun ayant des propriétés très différentes. CaMK II, comme l’enzyme dépendante de l’AMPc, présente une large distribution cellulaire et une spécificité de substrat et peut être considérée comme une « protéine kinase multifonctionnelle » en ce sens qu’elle médie probablement de nombreuses actions de second messager du Ca2 + dans de nombreux types de neurones. Par analogie au PKG, CaMK II contient un domaine régulateur qui, à l’état de repos, se lie à un domaine catalytique et l’inhibe; cette inhibition est soulagée lorsque le Ca2+/calmoduline se lie au domaine régulateur. Plusieurs isoformes de cette enzyme ont été clonées, y compris de multiples sous-unités α et β de ~50 et 60 kDa, respectivement. L’enzyme existe dans des conditions physiologiques sous la forme de grands complexes multimériques d’isoformes identiques ou distinctes.
Les CaMKs I et IV semblent également jouer un rôle important dans la médiation de nombreuses actions de second messager du Ca2+ dans le système nerveux, bien que leur spécificité de substrat précise ne soit que partiellement connue. Une caractéristique intéressante de CaMK I et IV est que les deux semblent être activés non seulement par la liaison au Ca2+ / calmoduline, mais également lors de leur phosphorylation par d’autres protéines kinases, appelées respectivement Camk I kinase et Camk IV kinase. Ces CAMK kinases peuvent également être des enzymes Ca2+/calmoduline dépendantes. L’enzyme kinase CaMK IV a été clonée. Fait intéressant, cette kinase est elle-même phosphorylée et inhibée par la PKA, fournissant ainsi un mécanisme important par lequel les cascades d’AMPc et de Ca2+ interagissent, comme nous le verrons plus en détail ci-dessous.
Les trois autres types de CaMK sont la phosphorylase kinase, la myosine kinase à chaîne légère et la CaMK III. Ces enzymes semblent phosphoryler moins de protéines de substrat, et dans certains cas un seul type, dans des conditions physiologiques, et chacune peut donc médier relativement moins d’actions du Ca2+ dans le système nerveux.
La protéine kinase C (PKC) comprend l’autre classe majeure de protéines kinases dépendantes du Ca2+ et est activée par le Ca2+ en conjonction avec le DAG et la phosphatidylsérine. Plusieurs formes de PKC ont été clonées, et le cerveau est connu pour contenir au moins sept espèces de l’enzyme. Les formes variantes de PKC présentent différentes distributions cellulaires dans le cerveau et différentes propriétés régulatrices. Par exemple, ils diffèrent par la capacité relative du Ca2+ et du DAG à les activer: certains nécessitent à la fois du Ca2 + et du DAG, tandis que d’autres peuvent être activés par le DAG seul, apparemment sans augmentation des concentrations cellulaires de Ca2 +. Cependant, ces enzymes présentent des spécificités de substrat similaires et, de ce fait, sont souvent considérées comme des isoformes.
La PKC existe dans des conditions physiologiques sous forme de chaînes polypeptidiques uniques d’environ 80 kDa. Chaque polypeptide contient un domaine régulateur qui, à l’état de repos, se lie à un domaine catalytique et l’inhibe. Cette inhibition est soulagée lorsque le Ca2+ et/ou le DAG se lient au domaine régulateur. La PKC présente une large spécificité de substrat et médie de nombreuses fonctions de second messager du Ca2+ dans les neurones cibles.
Dans des conditions basales, la PKC est principalement une protéine cytoplasmique. Lors de son activation par le Ca2+ ou le DAG, l’enzyme s’associe à la membrane plasmique, site de plusieurs de ses substrats physiologiques connus, y compris les récepteurs et les canaux ioniques. En fait, la translocation de la PKC du cytoplasme à la membrane a longtemps été utilisée comme mesure expérimentale de l’activation enzymatique. Une telle translocation a souvent été dosée par la liaison à l’ester de phorbol; les esters de phorbol sont des agents favorisant la tumeur qui se lient et activent sélectivement la PKC. Récemment, la base moléculaire de la translocation de la PKC du cytoplasme à la membrane plasmique a été résolue. La PKC activée, mais pas la forme inactive de l’enzyme, se lie avec une affinité élevée à une série de protéines associées à la membrane, appelées récepteurs de la C kinase activée (RACK). Les RACKs fonctionnent ainsi par analogie avec les AKAPs pour que le PKA dirige ou recrute ces enzymes largement exprimées vers des sites subcellulaires où leur activité est requise.
Diverses actions de signaux extracellulaires sont médiées par des protéines kinases dépendantes du second messager. Il a été démontré que l’application intracellulaire par microinjection ou transfection de PKA, PKG, CaMK II ou PKC dans des types particuliers de neurones imite des réponses physiologiques spécifiques (régulation des canaux ioniques, libération de neurotransmetteurs et transcription de gènes) à des premiers messagers spécifiques (neurotransmetteurs ou influx nerveux) pour ces neurones. Lorsque des inhibiteurs spécifiques des kinases sont disponibles, il a été démontré que leur application bloque la capacité des neurotransmetteurs à susciter ces réponses. Pris ensemble, ces résultats démontrent que l’activation de ces deuxièmes protéines kinases dépendantes des messagers est à la fois une étape nécessaire et suffisante dans la séquence d’événements par laquelle certains premiers messagers produisent certains de leurs effets physiologiques.
Les méthodologies transgéniques ont fourni des preuves supplémentaires de l’importance des protéines kinases dépendantes du second messager dans la régulation de la transduction du signal cérébral. Le meilleur exemple à ce jour est fourni par des souris dépourvues de sous-unités de CaMK II. Ces animaux présentent des déficiences dans une forme de plasticité synaptique, une potentialisation à long terme, dans l’hippocampe ainsi qu’un apprentissage spatial anormal, une forme d’apprentissage dépendant de la fonction de l’hippocampe (voir aussi chap. 50).
