Comment un canal potassique se transforme en canal sodique

Les canaux ioniques, indispensables à la vie.

Des bactéries aux cellules plus élaborées comme les neurones, les signaux électriques sont cruciaux pour la vie. Ces signaux sont générés par des protéines membranaires appelées canaux ioniques. Leur fonction essentielle est de créer des passages hydrophiles pour les ions, particules chargées électriquement, à travers la membrane cellulaire lipidique et hydrophobe.
L’Evolution a créé une grande variété de canaux ioniques, plus de 350 gènes chez l’humain, qui permettent le passage sélectif des différents ions. Le passage des ions au travers de ces canaux est soumis à un certain nombre de régulations sous forme de signaux chimiques ou physiques, tels que le pH, la température, la pression ou encore la fixation d’un ligand. Le milieu intracellulaire est riche en potassium. La sortie du potassium au travers des canaux potassiques a pour conséquences de diminuer l’excitabilité cellulaire.

Des canaux potassiques qui peuvent transporter du sodium

Les canaux potassiques ont une architecture unique qui se caractérise par l’association de sous-unités autour d’un pore qui va mimer la couche d'hydratation de l'ion potassium et qui permet ainsi le passage sélectif et à grande vitesse des ions K⁺ à travers les membranes hydrophobes. Cette organisation se retrouve dans tous le Vivant et montre que l’Evolution n’a retenue qu’une seule manière de créer un pore sélectif au potassium. C’est cette propriété qui a permis, en se basant sur la conservation de la séquence du pore, de découvrir une nouvelle classe de canaux potassiques en 1996, les canaux K2P. Ce sont des canaux dits de fond qui contrôlent l’excitabilité d’un grand nombre de type cellulaires. Certains d’entre eux sont notamment impliqués dans les effets des anesthésiques généraux volatils.
En 2012 il a été découvert que des canaux K2P pouvaient perdre leur sélectivité lors d’une acidification ou lors d’une hypokaliémie (concentration faible de potassium dans le sang)  et permettre le passage de l’ion sodium. Or le transport de cet ion, qui est généralement assuré par d'autres types de canaux ioniques, est tout aussi essentiel pour la cellule que celui de l’ion potassium. Mais à l’inverse de ce dernier, il favorise l’excitabilité.

Les mécanismes de ce changement enfin dévoilés.

Dans une étude publiée dans le journal Nature Communications, les scientifiques ont montré, grâce à la modélisation informatique et à la dynamique moléculaire – une méthode intensive de calcul permettant de prédire la conformation spatiale du canal - , que le transport du sodium résulte d'un réarrangement unique du pore, initié par l’acidification du milieu extracellulaire. Lorsque l'acidification cesse, le pore retrouve sa conformation initiale qui redevient sélectif pour le potassium. Ces travaux montrent que l’Evolution qui n’a trouvé qu’une seule manière de créer un pore sélectif au potassium s’est poursuivie pour ajouter une nouvelle fonction au canal : transporter du sodium lors d’une acidification et faire basculer le canal d’une action inhibitrice à une action excitatrice. C’est un nouveau paradigme dans le domaine d’étude des canaux, et cette propriété pourrait être présente dans d’autres canaux potassiques, soumise à d’autres stimuli que le pH.
Les recherches actuelles visent à étudier le rôle physiologique de cette sélectivité ionique dynamique, et à comprendre le rôle d’un canal ionique aussi atypique dans des tissus spécifiques comme les neurones sensoriels liés au toucher et à la proprioception. Ces travaux devraient permettre de mieux comprendre l'implication des canaux K2P dans la douleur et dans les maladies neuro-développementales liées à des mutations génétiques.

Figure : Le pore du canal TWIK1, sélectif pour le potassium à pH neutre, change de conformation moléculaire lorsqu'il est exposé à des pH acides et devient perméable aux ions sodium. Cette propriété unique pour un canal potassique pourrait être utilisée par les neurones exprimant TWIK1 dans le contrôle de leur niveau d'excitabilité.

Pour en savoir plus :
Mechanistic basis of the dynamic response of TWIK1 ionic selectivity to pH
Chatelain FC, Gilbert N, Bichet D, Jauch A, Feliciangeli S, Lesage F, Bignucolo O.
Nature Communications, 8 mai 2024, DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-024-48067-w
PMID : 38719838; PMCID : PMC11079055.