Les pompes à calcium régulent le taux de calcium dans les cellules très rapidement

La nouvelle étude menée par des scientifiques de l'Université de la Sarre et de l'université de Fribourg vient d'être publiée dans Nature Communications.

Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.

Qu'il s'agisse de la contraction d'un muscle ou de la transmission de signaux dans le cerveau, tous ces processus reposent sur des signaux électriques dans les cellules nerveuses. Ils sont déclenchés par l'interaction d'ions, parmi lesquels le calcium joue un rôle clé : « Lorsque le calcium pénètre dans la cellule, il agit comme un bouton d'activation qui déclenche ou désactive une fonction d'une protéine », explique Heiko Rieger, professeur de physique théorique à l'université de la Sarre. Lorsqu'un signal est transmis d'une cellule nerveuse à une autre, par exemple, cela se fait par le biais de neurotransmetteurs libérés par de petites vésicules au niveau des synapses. Les vésicules fusionnent alors avec la membrane de la synapse et leur contenu passe dans la cellule nerveuse voisine par la fente synaptique. « Ce processus est déclenché par des ions calcium. Ils mettent en marche le mécanisme qui attire les vésicules vers la membrane, les ouvre et libère le neurotransmetteur », explique M. Rieger. Il est essentiel que la concentration intracellulaire en calcium soit immédiatement réduite afin que la cellule soit prête pour la prochaine transmission de signal.

Comment les ions calcium pénètrent-ils si rapidement à l'intérieur de la cellule et, surtout, en ressortent-ils ? Selon Heiko Rieger, c'est l'énorme gradient de concentration qui est responsable de leur afflux dans la cellule. « Comme les concentrations de calcium sont beaucoup plus élevées à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur, les ions calcium diffusent dans la cellule en suivant le gradient. Pour cela, les canaux calciques s'ouvrent et environ 100 000 ions calcium s'écoulent par seconde à travers chaque canal. » Dès que le signal est terminé, ils doivent être évacués de la cellule le plus rapidement possible, et ce à l'encontre du gradient de concentration. « Jusqu'à présent, on supposait que cette tâche était assurée soit par des tampons calciques à l'intérieur de la cellule, soit par des pompes dans les parois cellulaires – mais on pensait que ces dernières fonctionnaient beaucoup trop lentement et que les tampons étaient donc plutôt responsables de l'élimination rapide. »

Dans leur nouvel article, les scientifiques de l'université de la Sarre (Prof. Heiko Rieger, Prof. Dieter Bruns, Dr Yvonne Schwarz et Barbara Schmidt) et de l'université de Fribourg ont pu montrer que ce sont en fait les pompes à calcium de la membrane plasmique qui sont en grande partie responsables du pompage rapide des ions calcium à l'intérieur de la cellule (en utilisant comme source d'énergie l'ATP, c'est-à-dire l'adénosine triphosphate). Ce qui est remarquable dans cette découverte, c'est que « ces ATPases calciques de la membrane plasmique (ou « PMCA ») ne fonctionnent pas, comme on le croyait depuis longtemps, à 100 hertz, soit 100 cycles par seconde, mais dans la gamme des kilohertz élevés : cela signifie qu'elles pompent 10 000 ions calcium ou plus par seconde hors de la cellule et fonctionnent ainsi plus de 100 fois plus vite qu'on ne le pensait jusqu'à présent. Elles sont ainsi en mesure de réguler avec précision et rapidité les concentrations de calcium à l'intérieur des cellules », explique Heiko Rieger. Cette découverte contredit les hypothèses scientifiques précédentes et résulte d'un travail pionnier mené par des collègues de Fribourg : « Ils ont en effet réussi pour la première fois à mesurer le fonctionnement des PMCA dans des conditions pleinement opérationnelles. »

Les pompes PMCA agissent en collaboration avec le lipide membranaire PtdIns(4,5)P2. Les complexes PMCA2-neuroplastine ainsi formés permettent, entre autres, la liaison et la libération rapides des ions calcium, ce qui rend possible une capacité de pompage exceptionnellement élevée. Sans cette liaison lipidique, le transport est considérablement ralenti.

Pour ses expériences fonctionnelles, l'équipe de Fribourg a utilisé des capteurs ultra-rapides (à savoir des canaux potassiques activés par le calcium) qui rendent visibles les changements de concentration en calcium en quelques millisecondes. En combinaison avec les densités des complexes de pompes dans les membranes cellulaires (environ 55 complexes par micromètre carré) déterminées par microscopie électronique, les chercheurs ont pu calculer pour la première fois de manière fiable la vitesse de transport des pompes PMCA à l'aide d'un modèle mathématiques du professeur Heiko Rieger.

Les connaissances acquises sur les mécanismes fonctionnels décisifs des pompes à calcium ultra-rapides ouvrent de nouvelles perspectives pour la compréhension des maladies neuronales. De nombreuses maladies neurodégénératives, telles que la maladie d'Alzheimer, les maladies cardiovasculaires ou le diabète, sont associées à des perturbations du taux de calcium intracellulaire. À cet égard, les résultats de la recherche pourraient créer de nouvelles cibles pour des substances actives qui interviennent de manière ciblée dans les voies de signalisation régulées par le calcium.

Publication originale :
Cristina E. Constantin, Barbara Schmidt, Yvonne Schwarz, Harumi Harada, Astrid Kollewe, Catrin S. Müller, Sebastian Henrich, Botond Gaal, Akos Kulik, Dieter Bruns, Uwe Schulte, Heiko Rieger & Bernd Fakler: Ca2+-pumping by PMCA-neuroplastin complexes operates in the kiloHertz-range. Nature Communications 16, 7550 (2025) 
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62735-5

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Professor Dr. Heiko Rieger
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