La découverte des canaux d’eau (aquaporines)

Abstrait

Le mouvement de l’eau dans et hors des cellules est un processus biologique fondamental qui est essentiel à la vie. Ces mouvements d’eau régulent non seulement l’activité des cellules individuelles, mais sont également responsables du fonctionnement de nombreux systèmes organiques et du maintien de l’équilibre hydrique du corps entier. On soupçonnait depuis longtemps que le mouvement de l’eau à travers les membranes des cellules biologiques était d’une certaine manière amélioré ou facilité par des pores ou des canaux, mais la recherche pour identifier ces canaux a été longue et fastidieuse. Comme c’est souvent le cas en science, le secret du canal d’eau a finalement été découvert par hasard en 1992 par Peter Agre et ses collègues de l’université Johns Hopkins de Baltimore, qui travaillaient sur les protéines de la membrane des globules rouges. Ce « premier » canal d’eau, initialement nommé CHIP28, est aujourd’hui connu sous le nom d’aquaporine 1. Agre a reçu le prix Nobel de chimie en 2003 pour cette découverte. Il existe actuellement 13 aquaporines connues chez les mammifères, réparties dans la plupart des tissus, mais de nombreuses autres ont été identifiées dans les organismes inférieurs et dans le règne végétal. L’implication des aquaporines dans des processus tels que la concentration urinaire et l’homéostasie des fluides corporels, la fonction cérébrale, la sécrétion glandulaire, l’hydratation de la peau, la fertilité masculine, l’audition, la vision et les fonctions corporelles les plus importantes que l’on puisse imaginer fait aujourd’hui l’objet d’un examen scientifique intense. En outre, des défauts dans la fonction des aquaporines ont été associés à diverses maladies et états pathologiques. Cette brève revue abordera leur contexte, leur découverte et leur fonction dans certains processus corporels, en se concentrant particulièrement sur l’hydratation.

© 2017 L’auteur ou les auteurs Publié par S. Karger AG, Bâle

Pourquoi nous intéressons-nous aux canaux d’eau ?

Les cellules qui constituent notre corps sont principalement constituées d’eau. Environ 65% d’une cellule est constituée d’eau. En termes de masse corporelle totale, les bébés sont les plus « juteux », étant composés de 75% d’eau ; les adultes maigres contiennent 60% d’eau, tandis que les adultes plus âgés n’en contiennent que 50%. La majeure partie de la masse sèche non aqueuse du corps est constituée d’os. À titre de comparaison, l’organisme le plus riche en eau est peut-être la laitue (95 % d’eau), tandis que nous, les humains, sommes comparables à une banane (65 % d’eau). Au cours de l’évolution, les cellules de tous les organismes ont évolué pour fonctionner de manière optimale dans un tel environnement aqueux, et des variations importantes de la teneur en eau des cellules concentreront ou dilueront leurs composants moléculaires et empêcheront un fonctionnement normal. Ainsi, les cellules doivent réguler la quantité d’eau qui entre et sort par leur membrane plasmique afin de réguler la concentration cytosolique des solutés, des ions, des électrolytes, des protéines et des acides nucléiques. En outre, la quantité d’eau présente dans les espaces extracellulaires d’un organisme est également étroitement contrôlée. Chez les humains et les autres mammifères, cela inclut, sans s’y limiter, le volume sanguin, l’espace interstitiel à l’extérieur des vaisseaux sanguins, le liquide céphalo-rachidien, l’humeur aqueuse dans l’œil et les sécrétions glandulaires.

Pourquoi avons-nous besoin de canaux d’eau ?

Pour faire face aux demandes métaboliques en constante évolution et aux conditions environnantes, les cellules doivent échanger rapidement de l’eau entre leur cytoplasme (à l’intérieur) et l’environnement externe (à l’extérieur) pour maintenir un volume constant. Ceci est important pour de nombreux organismes inférieurs qui ont développé des mécanismes élaborés pour la régulation du volume cellulaire, et implique généralement non seulement le transport de l’eau mais aussi des flux d’ions (principalement Na+, K+ et Cl-) à travers les membranes pour récupérer d’un gonflement ou d’un rétrécissement excessif lorsqu’elles sont exposées à des fluides externes de différentes osmolalités (par exemple, de l’eau de mer salée à l’eau de pluie diluée). Bien que ces mécanismes de transport d’ions existent également chez les mammifères, une grande partie de la fonction régulatrice « homéostatique » des organismes supérieurs est réalisée en maintenant un environnement interne constant dans lequel nos cellules résident – le fameux « milieu intérieur » défini par Claude Bernard . Cette fonction est assurée en grande partie par l’action des reins, en coordination avec le cerveau qui détecte le volume et la concentration du plasma (osmolalité), puis réagit en augmentant ou en réduisant la quantité d’eau qu’il libère dans l’urine. Ceci sera discuté plus en détail ci-dessous.

En plus de maintenir le volume cellulaire, l’échange rapide d’eau à travers les cellules permet aux tissus et aux organes de sécréter et/ou d’absorber de l’eau dans le cadre de leur fonction physiologique. Les cellules épithéliales qui tapissent certains tubules rénaux sont particulièrement bien adaptées à cette fonction, mais les cellules d’autres systèmes organiques peuvent également réguler le mouvement transépithélial de l’eau pour permettre à des processus fonctionnellement importants de se produire. Par exemple, les fluides sécrétés par le pancréas, le canal biliaire, les glandes lacrymales, salivaires et mammaires, ainsi que les plexus choroïdes et l’épithélium pigmentaire rétinien, impliquent tous un mouvement transépithélial rapide de l’eau.

Comment l’eau entre-t-elle et sort-elle des cellules ?

Tous ces processus physiologiques impliquent un mouvement de l’eau à travers les membranes cellulaires. On a compris depuis longtemps que lorsque la plupart des cellules sont placées dans de l’eau distillée, elles gonflent considérablement et peuvent éventuellement éclater. En revanche, lorsque les cellules sont placées dans une solution saline plus concentrée que les sels et autres composants présents dans leur cytoplasme, elles rétrécissent. Ce processus est dû en grande partie à l’écoulement osmotique de l’eau, vers le haut ou vers le bas d’un gradient de concentration, dans une tentative du système d’équilibrer la concentration osmotique des deux côtés de la membrane plasmique de la cellule. Mais comment l’eau se déplace-t-elle exactement à travers la membrane cellulaire ? À l’aide d’un appareil spécial capable de mesurer le gonflement et le rétrécissement des globules rouges, un modèle expérimental facile à obtenir et à manipuler, les chercheurs ont conclu que l’eau a deux voies de passage à travers les membranes. En surveillant le gonflement et le rétrécissement osmotique à différentes températures, Solomon a découvert un processus lent, sensible à la température, auquel se superpose un processus beaucoup plus rapide, indépendant de la température (figure 1). Le processus lent reflète la perméabilité à la diffusion de l’eau à travers la bicouche lipidique grasse de la membrane plasmique – la diffusion est sensible à la température. En revanche, le processus rapide correspondait à la présence de pores aqueux dans la membrane, qui permettaient le passage plus rapide de l’eau sous l’effet de l’osmose, sans qu’il y ait diffusion (Fig. 1). Macey, Farmer et d’autres ont ensuite montré que le composé chlorure mercurique pouvait inhiber de manière significative la composante rapide de ce processus, ce qui suggérait la présence d’un pore protéique – ou canal d’eau – dans la membrane. Le chlorure mercurique se lie aux groupes sulfhydryles (résidus de cystéine) des protéines et inhibe leur fonction : dans ce cas, la perméabilité à l’eau. Ainsi, cette recherche axée sur les globules rouges a clairement vérifié le concept selon lequel les pores d’eau sont responsables du passage rapide, insensible à la température et osmotique de l’eau à travers les membranes biologiques. Comme nous le verrons, ces pores ont été identifiés par la suite comme étant les aquaporines.

Le rein régule la teneur en eau de notre corps

Le rein est un organe remarquable qui est surtout connu pour « filtrer » le sang afin d’éliminer les déchets tels que l’urée et d’autres toxines et pour produire l’urine. Environ 180 L de sang sont filtrés chaque jour, mais la plupart des individus ne produisent qu’environ 1,5 L d’urine. La quantité exacte dépend de la quantité de boisson, de la chaleur et de l’exercice physique (qui entraîne une perte d’eau par transpiration). Environ 90 % du liquide filtré est éliminé dans les régions proximales du rein et cette valeur est assez constante chez la plupart des gens. Cependant, les 10 % restants (18 L) sont réabsorbés dans le canal collecteur du rein sous l’influence de l’hormone antidiurétique, la vasopressine (VP). La VP est libérée par l’hypophyse postérieure en réponse à une déshydratation (qui entraîne une augmentation de la concentration osmotique du sérum) ou à une perte de volume. Elle agit sur les cellules épithéliales du canal collecteur du rein par l’intermédiaire d’un récepteur spécifique appelé récepteur de la vasopressine (V2R) pour stimuler la réabsorption d’eau, ce qui corrige le problème et rétablit la concentration et/ou le volume sanguin à des niveaux normaux. Le mécanisme par lequel VP provoque cette absorption de liquide à travers l’épithélium du canal collecteur est maintenant assez bien compris et implique les canaux hydriques aquaporines.

La vessie urinaire du crapaud comme modèle pour le rein

Il est utile de prendre un peu de recul et de regarder comment le mécanisme d’action de VP a été examiné expérimentalement. Alors que les effets de VP sur la fonction rénale étaient bien connus depuis un certain temps, une dissection détaillée de son action cellulaire nécessitait un système modèle plus accessible que le rein. Il est très difficile (mais pas impossible) de travailler avec des tubules rénaux individuels, car ils sont très petits – environ 40 µm de diamètre seulement. Une avancée majeure dans la recherche a été réalisée lorsque Bentley (et d’autres) ont découvert que la vessie urinaire du crapaud transportait également de l’eau en réponse à l’hormone antidiurétique . Il s’agit d’un élément naturel de leur processus de survie dans la nature. Lorsqu’il est immergé dans l’eau, le crapaud absorbe de l’eau par sa peau et produit beaucoup d’urine très diluée, qu’il stocke dans une grande vessie en forme de ballon. Lorsque le crapaud a un accès limité à l’eau de l’étang et commence à se déshydrater, sa propre hormone antidiurétique (appelée vasotocine, un analogue de la VP) est libérée et rend l’épithélium de la vessie perméable à l’eau. Ainsi, l’eau stockée dans la vessie est renvoyée dans le sang pour réhydrater la créature. En fait, le crapaud transporte sa propre bouteille d’eau dans sa vessie. La vessie urinaire du crapaud est donc devenue un substitut largement utilisé pour examiner et comprendre le flux d’eau induit par le VP à travers l’épithélium du canal collecteur du rein .

Pendant de nombreuses années, la vessie du crapaud a été utilisée pour examiner le début et le décalage de l’action du VP sur le flux d’eau à travers les cellules épithéliales. De nombreuses voies de signalisation cellulaire qui régulent ce processus en aval de l’interaction VP-récepteur ont été identifiées. L’un des résultats les plus fascinants qui a émergé des nombreuses études sur la vessie du crapaud est le concept de canaux d’eau insérés dans la membrane plasmique de ces cellules épithéliales afin d’augmenter la perméabilité de la membrane, et donc de l’eau épithéliale. Lors du retrait des hormones, ces « canaux d’eau » seraient ensuite retirés de la membrane plasmique par internalisation dans la cellule (un processus connu sous le nom d’endocytose), ce qui ramènerait la membrane à son état imperméable de base et empêcherait l’écoulement de l’eau. Cette idée a été publiée par Wade qui a inventé le terme « hypothèse de la navette » pour décrire le mouvement de va-et-vient des canaux d’eau vers et depuis la surface de la cellule par analogie avec la navette spatiale de la NASA. Mais la nature de ces canaux d’eau restait inconnue.

La découverte des canaux d’eau aquaporines

Malgré de nombreuses tentatives d’identification de la protéine qui formait les canaux d’eau, le domaine a été essentiellement gelé dans le temps pendant de nombreuses années. Toutes les tentatives dirigées pour isoler la protéine à partir de membranes purifiées d’érythrocytes provenant de vessies de crapauds et de reins avaient rencontré un succès limité, bien que certaines publications s’en soient approchées et que d’autres aient fourni des informations importantes, telles que des informations sur la taille moléculaire (environ 30 kD) . C’est ainsi que le groupe Agre, en étudiant les protéines du facteur rhésus dans les membranes des globules rouges, a remarqué une bande « contaminante » constante sur ses gels à environ 28 kD. Plutôt que d’écarter cette information, ils ont creusé un peu plus et ont conclu qu’il pourrait s’agir du canal hydrique tant recherché dans les globules rouges. Cette bande a été isolée et purifiée, et des anticorps ont montré qu’elle était également exprimée dans les cellules des tubules proximaux des reins et dans la branche descendante fine de Henle, qui sont toutes deux constitutivement très perméables à l’eau. Serait-ce le canal de l’eau ? Le moment décisif est arrivé lorsque le groupe Agre a injecté l’ARNm codant pour cette protéine dans un système d’expression in vitro, les ovocytes de Xenopus. La membrane de l’ovocyte est normalement très imperméable à l’eau – les œufs sont déposés dans de l’eau douce et éclateraient si la membrane était perméable ! Mais après injection de l’ARNm codant pour le canal d’eau putatif, les ovocytes déposés dans de l’eau distillée ont fait exactement cela – ils ont éclaté, alors que les ovocytes témoins sont restés intacts . Le groupe Agre a réalisé que l’ARNm injecté avait forcé les ovocytes à produire une nouvelle protéine qui, lorsqu’elle était déplacée vers la membrane de l’ovocyte par des mécanismes de transport cellulaire, rendait la membrane hautement perméable à l’eau. Une grande fête a suivi. Une série d’articles ultérieurs ont confirmé que cette nouvelle protéine, appelée CHIP28 (channel-forming integral membrane protein of 28 kD), était le premier canal d’eau à être définitivement identifié .

La famille des aquaporines

Suite à la découverte de l’identité moléculaire de CHIP28, d’autres ont trouvé une série de protéines homologues qui formaient une nouvelle famille. Elles furent connues sous le nom d’aquaporines . Au moment où ce nom a été utilisé pour la première fois, il y avait 4 aquaporines connues chez les mammifères – AQP1, 2, 3 et 4. Il existe maintenant 13 aquaporines de mammifères, et des centaines ont été identifiées dans d’autres organismes, y compris les plantes. Elles présentent toutes les mêmes caractéristiques structurelles globales, avec un poids moléculaire d’environ 30 kD dans la forme non glycosylée, et plusieurs états de glycosylation différents qui entraînent un poids moléculaire plus élevé. Elles possèdent toutes 6 domaines transmembranaires ; les extrémités C et N sont toutes deux dans le cytoplasme ; elles forment un tétramère fonctionnel dans la bicouche lipidique et la structure du pore d’eau dans la protéine a été élucidée par cristallographie aux rayons X pour certaines aquaporines. De manière inattendue, certaines aquaporines sont plus perméables à l’eau que d’autres, et certaines peuvent transporter d’autres molécules en plus de l’eau. Par exemple, l’AQP3 est perméable au glycérol, et l’AQP9 est perméable à l’urée. En outre, certaines aquaporines sont perméables à des gaz tels que le CO2 et le NO . Ainsi, le domaine de la biologie des aquaporines est en constante expansion, et des rapports sur des fonctions nouvelles et inattendues au sein de divers tissus et cellules continuent d’émerger régulièrement.

Aquaporine 1 et 2 (le canal hydrique sensible au VP) dans le rein

AQP1, le canal hydrique des globules rouges, est fortement exprimé dans les tubules proximaux et les fins membres descendants de Henle, qui sont tous deux très perméables à l’eau en permanence . Ces segments tubulaires sont impliqués dans la réabsorption de 90 % de l’eau filtrée. Une deuxième aquaporine, AQP2, a été identifiée dans les cellules principales du canal collecteur du rein. Ce sont ces cellules qui (comme dans la vessie du crapaud) modifient leur perméabilité à l’eau en réponse à l’hormone antidiurétique, la VP, et régulent ainsi la réabsorption du liquide restant – près de 20 litres par jour. L’AQP2 est le canal d’eau régulé par la VP. En présence de VP, l’AQP2 s’accumule à la surface des cellules principales et l’eau traverse l’épithélium sous l’effet d’un gradient osmotique (Fig. 2). L’aspect basolatéral de ces tubules est hypertonique par rapport au fluide de la lumière du tubule et l’eau s’écoule vers le bas le long de ce gradient en présence de VP. La membrane basolatérale des cellules principales est toujours perméable à l’eau en raison de la présence de l’AQP3 ou de l’AQP4 dans différentes parties du rein. Ainsi, la quantité d’AQP2 dans la membrane apicale est le facteur limitant la vitesse qui régule la réabsorption d’eau dans le canal collecteur du rein. De nombreuses années de recherche ont montré que l’AQP2 se recycle entre la membrane plasmique et les vésicules cytoplasmiques dans les cellules principales, et que le VP modifie l’équilibre de telle sorte que davantage d’AQP2 s’accumule à la surface de la cellule et moins à l’intérieur, ce qui explique l’augmentation de la perméabilité membranaire (Fig. 2). La biologie cellulaire qui sous-tend ce processus est partiellement comprise et implique une cascade de signalisation qui est initiée par l’interaction de VP avec son récepteur, l’activation d’une adénylyl cyclase pour augmenter l’AMPc intracellulaire, l’activation de la protéine kinase A et la phosphorylation de la protéine AQP2. La phosphorylation est l’événement critique qui provoque l’accumulation membranaire de l’AQP2, et plusieurs laboratoires sont impliqués dans des études visant à mieux comprendre ce processus. Le lecteur intéressé est renvoyé à des revues détaillées récentes sur ce processus .

Pathophysiologie des aquaporines

Comme on pouvait s’y attendre, les aquaporines ont été impliquées dans plusieurs maladies, plus particulièrement dans le rein (Fig. 3). Un dysfonctionnement ou des mutations de l’AQP2 ou, plus communément, de la V2R, provoquent le diabète insipide néphrogénique (NDI), dans lequel les patients sont incapables de concentrer leur urine et pourraient théoriquement uriner jusqu’à 18 L d’urine diluée par jour, c’est-à-dire la quantité normalement réabsorbée dans le canal collecteur. En raison d’autres mécanismes compensatoires, la plupart des patients atteints de NDI produisent entre 5 et 10 L par jour . Les thérapies disponibles ne peuvent que partiellement soulager les symptômes, et des travaux supplémentaires sont nécessaires pour trouver de meilleurs traitements. La cause la plus fréquente de NDI est chez les patients recevant un traitement au lithium pour un trouble bipolaire. Le lithium provoque une grave régulation négative du gène AQP2 pour des raisons qui ne sont pas complètement comprises. Bien qu’il s’agisse d’une thérapie très efficace pour le trouble bipolaire, ce phénomène et d’autres effets secondaires font que de nombreux patients hésitent à s’engager dans un traitement au lithium. D’autres troubles liés à l’AQP, principalement identifiés dans des modèles animaux knock-out, sont un défaut de concentration urinaire (des humains AQP1 ont été identifiés), des cataractes (AQP0), des accidents vasculaires cérébraux (AQP4) et une peau fragile due à une hydratation défectueuse (AQP3). Les AQP1 et AQP2 ont également été impliquées dans la migration cellulaire et la cicatrisation des plaies. Enfin, l’attrait des aquaporines a frappé l’imagination des agences de publicité impliquées, par exemple, dans l’industrie cosmétique. Cherchez sur Google et vous verrez !

Directives futures

Un domaine passionnant de la biologie des aquaporines est l’émergence de fonctions dites de  » moonlighting  » de ces protéines de canal. Celles-ci peuvent être liées à leur fonction de canal, comme dans le cas de la perméabilité aux gaz de l’AQP1, ou non liées à l’activité du canal comme dans le cas de l’AQP2, qui est impliquée dans le développement des reins via son interaction avec les intégrines et la matrice extracellulaire . Les études futures permettront sans doute d’identifier d’autres propriétés inattendues des aquaporines. Un grand nombre d’aquaporines sont présentes chez des espèces « inférieures » non mammifères telles que les plantes, les microbes et les champignons. Cela ouvre la porte à l’utilisation de ces informations pour améliorer la croissance et l’adaptation des plantes en stimulant la fonction AQP, et pour combattre les infections microbiennes et fongiques en inhibant les aquaporines. Ces inhibiteurs spécifiques ne sont pas encore disponibles, mais s’ils sont mis au point, ils pourraient également jouer un rôle important en médecine en tant qu’aquaporines (pour traiter l’hypertension), et peut-être dans le traitement du cancer (pour bloquer les métastases). Nous avons également beaucoup à apprendre sur la biologie cellulaire du trafic des aquaporines. Comment sont-elles déplacées dans la cellule ? Comment interagissent-elles avec d’autres protéines ? Des voies de signalisation alternatives peuvent-elles être identifiées et exploitées pour contourner la signalisation V2R défectueuse dans la NDI ? Ce travail est en cours et promet de révéler des secrets cellulaires qui se rapportent non seulement à la biologie des PQA, mais aussi à d’autres événements de trafic cellulaire importants qui sont impliqués dans une foule d’autres maladies humaines.

Reconnaissance/Déclaration de divulgation

D.B. et ses collègues du programme MGH en biologie membranaire ont reçu un soutien continu pour le travail sur les aquaporines des National Institutes of Health, actuellement le numéro de subvention DK096586. D.B. a reçu de Danone Research le remboursement des frais de voyage et d’inscription pour assister à la conférence scientifique H4H.

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