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Electrogénération

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Quand le rythme évolue, on mute les canaux sodiques
Erik Harvey-Girard

Variation des pulses chez cinq poissons électriques. A- Poisson-lame (S.macrurus); B- Poisson-couteau brun (A.leptorhynchus); C- Gymnote (E. electricus); D- (B. pinnicaudatus); et E- Poisson-éléphant (G. petersii). (Référence: Zakon et al. (2006) Sodium channel genes and the evolution of diversity. PNAS,103, pp.3675–3680.)
Dans les articles précédents, on a vu que les cellules du pacemaker du poisson-lame sont dotés d’une batterie de canaux ioniques leur permettant de battre la fréquence d’émission de l’organe électrique (voir RAP : Rythme Au Pacemaker). Par la suite, les électrocytes peuvent garder le rythme dicté (voir Garde le rythme) en contrôlant l’expression précisément des canaux ioniques au sodium (voir Canaux sodiques) et des canaux ioniques au potassium. Mais comment expliquer que pulses des organes électriques des poissons électriques puissent être si rapides chez certaines espèces ? L’équipe du laboratoire d’Harold Zakon a poursuivi sur sa lancée dans ce domaine pour en venir à une belle histoire d’intégration.

 

Les électrocytes des poissons-lames (Sternopygus macrurus) sont d’origine musculaire. Ce sont donc des cellules musculaires qui se modifient pour devenir des électrocytes chez ces poissons. Par contre, chez les aptéronotes (A.leptorhynchus), les cellules électromotrices sont d’origine neuronale.

 

Expression des canaux sodiques musculaires dans les muscles et les organes électriques chez le poisson-lame (S.macrurus), le B. pinnicaudatus et le poisson-couteau brun (A.leptorhynchus). (Référence: Zakon et al. (2006) Sodium channel genes and the evolution of diversity. PNAS,103, pp.3675–3680.)
Chez les poisons, en particulier le poisson-lame, il y a deux isoformes des canaux ioniques au sodium exprimés dans les muscles (NaV1.4 a et b). Par la technique de réaction en chaîne de la polymérase (PCR), l’équipe de Zakon a démontré que les poissons-lames (S.macrurus) exprimaient la forme NaV1.4b dans leurs muscles et produisaient fortement la forme NaV1.4a dans leur organe électrique (la forme NaV1.4b était légèrement présente). Par contre chez le poisson-couteau brun (A.leptorhynchus), les deux isoformes se retrouvaient dans les muscles (il n’a pas été possible de tester l’organe électrique) et chez (B.pinnicaudatus), les deux formes étaient légèrement présentes dans l’organe électrique. La forme NaV1.4b semble donc associée avec les muscles, tandis que la forme NaV1.4a avec les organes électriques.

 

Evolution des canaux ioniques au sodium. A- Arbre phylogénique des canaux ioniques au sodium de divers poissons. Les branches des poissons électriques sont présentées en couleur. Les nombres à chaque branche indiquent le nombre de mutations non-neutres (gauche) et le nombre de mutations neutres (droite). B- Mutations présentes dans les canaux sodiques des poissons gymnotiformes (rouge) et mormyridés (bleu) (Référence: Zakon et al. (2006) Sodium channel genes and the evolution of diversity. PNAS,103, pp.3675–3680.)
Mes collègues se sont attardés sur le gène de NaV1.4a reliée aux organes électriques. L’idée était de comprendre si les canaux sodiques des poissons électriques avaient être adaptés pour leurs organes électriques. Pour ce faire, ils ont comparé les séquences d’acides aminés des protéines de canaux sodiques NaV1.4a d’un grand nombre de poissons et observés la présence de mutations non-neutres versus celle de mutations neutres (il y a 21 acides aminés regroupés en quatre catégories : hydrophobe, polaire, chargé positivement et négativement. Si une mutation se produit dans la même catégorie, elle est considérée comme neutre, sinon elle est non neutre). Première constatation, il y a beaucoup plus de mutations non neutres (nombre de gauche à chaque branche) que de mutations neutres (nombre de droite à chaque branche) chez les poissons électriques (branche de couleur), tandis que les autres poissons présentent surtout des mutations neutres (branche noire).

 

Par la suite, ils se sont concentrés sur les segments de séquence des protéines NaV1.4a reconnus chez les mammifères pour être responsables de l’inactivation des canaux ioniques au sodium. L’inactivation des canaux sodiques détermine grandement leur temps d’ouverture et par conséquent la durée du potentiel d’action que les canaux ioniques au Na+ peuvent produire. On compte quatre segments responsables de l’inactivation des canaux sodiques (identifiés sur la dernière figure par des rectangles en A). L’alignement de ces segments nous amène à notre deuxième constatation (en B, C, D et E). Seuls les poissons électriques (mormyridé et gymnotiformes) présentent des mutations de ces segments responsables de l’inactivation. Les séquences de segments des autres poissons ne présentent aucune différence (mutation) comparées à celle des humains (NaV1.4 des muscles). Mieux encore, plus les poissons électriques ont des pulses rapides, plus les canaux ioniques au Na+ ont subit des mutations des leurs segments responsables de l’inactivation. Les poissons électriques ont donc adapté leur canaux ioniques au Na+ pour qu’ils répondent mieux en mieux aux cinétiques de plus en plus rapides de leur pulses électriques.

 

Comparaison de segments responsables de l'inactivation des canaux ioniques au sodium de diverses espèces. A- Schéma général des canaux ioniques au sodium identifiant les segments responsables de l'inactivation. B,C,D et E - Alignements des segments responsables de l'inactivation de différentes espèces. Les poissons électriques sont identifiés à gauche par "mormyr" (mormyridé) et "gymno" (gymnotiforme). Chaque lettre représente un acide aminé spécifique. Celles en rouge montrent les mutations à cette position. (Référence: Zakon et al. (2006) Sodium channel genes and the evolution of diversity. PNAS,103, pp.3675–3680.)
En analysant les sites de mutation, une petite surprise les attendait. Le site marqué par un astérisque (*) correspond à un site connu dans les canaux sodiques cardiaques (NaV1.5) pour causer une maladie cardiaque chez les humains (syndrome de l’onde QT prolongée). Certains poissons électriques ont donc eux aussi muté ce site, dans leur cas, possiblement dans un but d’accélérer les canaux sodiques. Ça démontre à quel point l'évolution est parallèle et utilise les mêmes matériaux de base qui sont altérés différemment d'une espèce à l'autre.

Une beauté évoluée

L’évolution des poissons électriques les a donc amenés à modifier les gènes des canaux ioniques exprimés dans leur organe électrique afin de contrôler l’activité des cellules des organes électriques pour soutenir le changement de fréquence de la DOE. C’est un magnifique exemple de modifications évolutives pour soutenir une adaptation du comportement et des mécanismes d’excitabilité cellulaire sous-jacents. Encore une fois, les poissons faiblement électriques nous enseignent la beauté intégrée à divers niveaux de l’organisme.






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Références
Erik Harvey-Girard.  "Quand le rythme évolue, on mute les canaux sodiques."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Mar 5, 2007. <  >
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