Aspects moléculaires des interactions entre les toxines de venins de scorpions et les canaux ioniques

novembre 2017, par Georges Mion

1. Introduction

1.1 Espèces dangereuses, répartition géographique des scorpions dans le monde

1.2 Composition du venin des scorpions et principales cibles biologiques de leurs toxines

1.3. Une biodiversité moléculaire extraordinaire

2. Les toxines de scorpion actives sur les canaux sodiques

2.1. Structure moléculaire des canaux sodium

2.2. Les toxines de scorpion actives sur les canaux sodium

2.2.1 Les toxines de type α

2.2.2. Les toxines de type β

2.3. Interactions allostériques

3. Les toxines de scorpion actives sur les canaux potassium

3.1. Les canaux potassium : une superfamille de canaux ioniques

3.2. Une famille de toxines qui s’agrandit

3.2.2. les β-KTx

3.2.3. les γ-KTx

3.2.4 les κ-KTx

4 Les toxines de scorpion actives sur les canaux calcium

5. Les toxines de scorpion actives sur les canaux chlore

Conclusion

1. Introduction

Les venins de scorpion sont des mélanges complexes de molécules bioactives dont les principales cibles sont les canaux ioniques. Dans ce chapitre, seront décrites les principales toxines des venins de scorpions de la famille des Buthidés, leurs cibles moléculaires et leurs mécanismes d’action. La composition de ces venins est en effet relativement simple, puisqu’ils sont presque totalement dépourvus d’enzymes à l’exception d’une hyaluronidase, et que leurs toxines sont très majoritairement actives sur les canaux ioniques membranaires des cellules excitables. En ce domaine, les venins de scorpions Buthidés constituent un modèle exemplaire.

Les scorpions figurent au nombre des arthropodes terrestres les plus anciens (sous-embranchement des Chélicérates de la classe des Arachnides et de l’ordre des Scorpionidés). Ils ont survécu 450 millions d’années dans les conditions les plus extrêmes de l’environnement. Actuellement, ils forment un ordre numériquement modeste comptant à peine 1500 espèces. Les espèces de scorpions dangereuses pour l’homme appartiennent dans leur quasi-totalité à la seule famille des Buthidae, tropicale et subtropicale. Les scorpions sortent la nuit pour chasser des proies qu’ils immobilisent grâce à leur appareil venimeux équipé d’un dard permettant l’inoculation d’un venin riche en substances biologiquement actives. La toxicité de leur venin place ce groupe d’arthropodes parmi les animaux venimeux les plus redoutés et dangereux pour la santé humaine.

1.1 Espèces dangereuses, répartition géographique des scorpions dans le monde

Les premiers fossiles de scorpions apparaissent au début du silurien (ère primaire). Les Gigantostracés, ancêtres présumés, étaient aquatiques ou amphibies et mesuraient de 10 cm à plus de 10 m [33]. Il y a 400 millions d’années, les scorpions avaient la taille des scorpions connus de nos jours (5-25 cm), mais ils étaient vraisemblablement marins. Ils effectuent un passage progressif vers le milieu terrestre à partir du carbonifère (figure 1). Abondants dans les régions intertropicales, ils se distribuent du sud du Canada à la pointe sud de l’Amérique et de l’Afrique. Ils occupent tous les déserts chauds du globe, mais aussi les sommets et les grottes. Leur adaptabilité et leur résistance à tous les milieux et à des conditions difficiles sont légendaires. La « queue » du scorpion, ou post-abdomen, porte à son extrémité un appareil venimeux, le telson, constitué d’une vésicule à venin prolongée par un dard qui permet l’inoculation du venin.

D’un point de vue taxonomique, on a longtemps distingué deux sous-ordres de scorpions, les Buthoïdes (une seule famille, les Buthidae) et les Chactoïdes (les autres familles, de 5 à 9 et davantage selon les auteurs). Les Buthidae se caractérisent par des pinces plutôt fines, une queue relativement épaisse, un telson développé muni d’un dard puissant et leur prédominance fréquente en milieu aride. Les scorpions Chactoïdes présentent souvent des pinces puissantes, une queue relativement mince, un telson peu développé avec un dard parfois ténu et incapable de percer la peau humaine. Certains Chactoïdes peuvent atteindre des tailles impressionnantes, tel le célèbre Pandinus imperator du Togo avec ses 25 cm. Aujourd’hui, les auteurs s’accordent sur une classification en 9 familles, qui a évolué très récemment en 18 familles distinctes [55].

Sur 25 à 50 espèces potentiellement dangereuses, une douzaine d’espèces seulement affectent la santé de l’homme au niveau mondial. Les scorpions dangereux pour l’homme appartiennent pratiquement tous à la famille des Buthidae. Ces animaux étant très craintifs et nocturnes, les piqûres sont accidentelles. Lors d’une piqûre, une très petite quantité de venin est inoculée. Cependant, elle est responsable de l’apparition de symptômes divers tels que sudation, salivation, hypertension et une accélération du rythme cardiaque. Une aggravation de l’état général se traduira par des vomissements et diarrhées, une torpeur, une baisse de la pression sanguine et du rythme cardiaque. Un œdème pulmonaire, puis un arrêt cardiaque et pulmonaire peuvent survenir et aboutir à une issue fatale (voir "Scorpionisme : épidémiologie et immunothérapie"). La puissance des composés du venin responsables de cette toxicité a ainsi suscité bien des recherches.

1.2 Composition du venin des scorpions et principales cibles biologiques de leurs toxines

D’une manière générale, les venins de scorpion ont une composition variée d’une espèce à l’autre, et complexe sur le plan biochimique. Ces venins constituent des sécrétions eccrines aqueuses, contenant des sels minéraux (Na+, K+...), et dont la viscosité est due à la présence de mucopolysaccharides et de protéines. Les auteurs s’accordent sur le fait que les venins de scorpions Buthidae ont des activités enzymatiques très faibles. Des phospholipases sécrétées (PLPA2 du groupe III) ont été mises en évidence dans des venins de scorpions non-Buthidés [68] [16] [66]. Une activité hyaluronidase a été caractérisée à partir du venin du scorpion Tityus serrulatus [51]. La présence de d’acides organiques, tels que l’acide citrique a été mise en évidence dans le venin de Centruroides sculpturatus [24]. Les amines biogènes, telles que la sérotonine (pro-agrégant, augmente la perméabilité capillaire), et l’histamine (vasodilatateur, inducteur de réaction allergique) participent certainement à l’activité du venin de scorpion au niveau de la zone de peau piquée. Ces deux amines biogènes sont responsables des réactions nociceptives violentes induites par les piqûres des Buthidés [47] [41]. Si tous les composants énumérés précédemment agissent de façon synergique lors de l’envenimation, la toxicité du venin est essentiellement portée par quelques membres (2 ou 3 tout au plus) d’une véritable banque combinatoire de peptides basiques générée dans le telson [54].

Etant donné leur dangerosité et des problèmes médicaux dont ils sont responsables, les compositions des venins de scorpion de la famille des Buthidés sont les mieux décrites. Les principes actifs des venins des Buthidés sont de nature polypeptidique. Ils interagissent avec les canaux sodium dépendant du potentiel, modifient leurs propriétés et altèrent rapidement le fonctionnement des systèmes nerveux périphérique et central. Ces peptides induisent, en atteignant les fibres nerveuses et les corps des neurones, une stimulation neuronale de type présynaptique qui a pour conséquence une libération massive de neuromédiateurs (phase excitatoire), précédant une phase de blocage de la transmission après dépolarisation (paralysie). Les venins des Buthidés sont donc avant tout neurotoxiques, et l’étude de leurs neurotoxines a suscité et soulève encore le vif intérêt de la part des médecins, des biochimistes et des neurobiologistes.

Les progrès de la biochimie et de la biologie moderne ont permis une véritable explosion des connaissances sur la composition des venins des scorpions Buthidés, mais aussi des scorpions des autres familles. De nombreux ligands de nature peptidique ont été caractérisés, capables de se lier avec de haute affinité (parfois picomolaire) et d’affecter l’activité d’autres canaux ioniques, tels que les canaux potassium, les canaux calciques et les canaux chlorure. De nouvelles activités ont été également mises en évidence, telles que des activités antibactériennes et antiparasitaires.

1.3. Une biodiversité moléculaire extraordinaire

A l’heure actuelle, le nombre de peptides pouvant exister dans l’ensemble des venins de scorpion, toutes espèces confondues, peut s’évaluer à plus de 100 000 [54]. Cependant, seulement 0,02% de ce « peptidome » ont été réellement caractérisés sur les plans biochimique et pharmacologique. La première place est tenue par les neurotoxines de scorpion actives sur les canaux sodium (>120 séquences différentes), ensuite nous avons les peptides actifs sur les canaux potassium (>80 séquences différentes) et moins d’une dizaine de peptides actifs sur les canaux chlorure ou sur les canaux calciques ont été purifiées, séquencées et caractérisées. Le nombre de molécules connues dans cette formidable chimiothèque naturelle est en continuelle augmentation, conséquence des efforts des chercheurs du monde entier dans la recherche de nouveaux ligands des canaux ioniques.

Tous ces peptides présentent de nombreux traits communs, ils sont en général de petite taille (au maximum 70 résidus d’acides aminés), souvent basiques et particulièrement compacts du fait de la présence de ponts disulfure (deux à quatre). Il est tout à fait raisonnable d’imaginer des processus de duplication de gènes et de mutagenèse aléatoire relativement rapides, au cours de l’évolution avec comme point de départ un ancêtre moléculaire commun. Les études structurales ont montré que les différentes activités pharmacologiques caractérisées chez les toxines de scorpion sont construites essentiellement autour d’une même architecture moléculaire. Cette architecture, appelée Csαβ, consiste en un cœur peptidique constitué d’une hélice α liée à un feuillet β antiparallèle par deux ponts disulfure. Sous l’effet de pressions de l’environnement, le scorpion aurait mis en place une véritable banque combinatoire de peptides à ce motif structural, afin d’agir sur le spectre le plus large de récepteurs, en l’occurrence, les canaux ioniques. Il s’agit là d’un exemple d’ingénierie moléculaire naturelle que l’on rencontre chez animaux venimeux. Cette architecture moléculaire Csαβ est également observées dans d’autres peptides aux fonctions très différentes [2], tels que les défensines d’arthropodes, scorpions compris, (activités antibactériennes et antifongiques) , les γ-thionines de graminées (activités antibactériennes et antifongiques) [5], l’ATTp (inhibiteur de la trypsine de plante) [69] et de la brazzéine (propriétés édulcorantes puissantes) contenue dans une baie (Pentadiplandra brazzeana) [1] [7]. L’architecture moléculaire Csαβ est de loin la structure la plus souvent rencontrée chez les toxines de scorpion. Ceci laisse supposer qu’il s’agit, soit d’un motif structural idéal pour la mise en place de propriétés pharmacologiques variées (agonistes ou antagonistes des canaux ioniques, activité antibactérienne...), soit d’une stratégie écologique moins coûteuse énergétiquement pour développer des toxines à « tête multiple » au cours de l’évolution des scorpions de la famille des Buthidés. L’étude des venins de scorpions appartenant à d’autres familles et relativement peu dangereux pour l’homme (Chactidés et Scorpionidés), a conduit à la découverte de deux autres motifs structuraux (figure 2). Le premier correspond au motif « Inhibitory Cystein Knot » (ICK) (Inhibiteur à nœud de cystéine) présentant deux feuillets β antiparallèles. Là encore, ce motif n’est pas l’apanage des toxines de venins de scorpions : il avait été décrit antérieurement pour les facteurs de croissance, Nervous Growth Factor (NGF) [46], les inhibiteurs de la trypsine, les toxines de venins de cônes et d’araignées [48] [18]. Le dernier motif structural découvert pour les toxines de scorpion, est un motif tout alpha « hélice-coude-hélice », constitué de deux hélices reliées par deux ponts disulfure [61] [14].

2. Les toxines de scorpion actives sur les canaux sodiques

Les canaux ioniques sont présents dans les membranes de toutes les cellules. Ils assurent l’intégrité cellulaire et sont à la base de toutes les fonctions cellulaires (contrôle du potentiel de membrane, sécrétion, contraction, genèse des potentiels d’action, volume cellulaire, prolifération...) et des grandes fonctions physiologiques (système nerveux, système cardiovasculaire...). Le maintien des fonctions vitales dépend ainsi de l’activité de canaux ioniques qui constituent donc des cibles privilégiées des toxines animales. En effet, la majorité des toxines de scorpion connues ciblent des canaux ioniques. Elles sont classées en fonction des canaux ioniques ciblés, à savoir les toxines actives sur les canaux sodium, les toxines actives sur les canaux potassium, les toxines actives sur les canaux calcium et les toxines actives sur les canaux chlore.

Parmi les diverses cibles moléculaires du système nerveux, le canal sodium dépendant du potentiel représente certainement une des meilleures cibles moléculaires, puisqu’il est à l’origine de l’initiation, de la genèse et de la propagation du message nerveux sous forme d’un signal bioélectrique, le potentiel d’action (PA). Outre cette fonction principale, on sait depuis quelques années que les canaux sodium sont impliqués dans d’autres aspects du fonctionnement neuronal (conduction rétrograde des PA et rétrocontrôle de l’intégration des entrées synaptiques). Historiquement, les premières neurotoxines de scorpion qui ont été caractérisées sont des ligands des canaux sodium dépendant du potentiel. C’est grâce à ces toxines que les scorpions peuvent paralyser leur proie. Ces toxines sont responsables de la neurotoxicité des venins des scorpions de la famille des Buthidés pour les mammifères, dont l’homme.

2.1. Structure moléculaire des canaux sodium

Les canaux sodium dépendant du potentiel sont des glycoprotéines membranaires de très haut poids moléculaire (240-280 kDa). Ils forment un pore sélectif aux ions sodium, constitué d’une sous-unité α organisée selon un modèle conservé dans tout le règne animal (figure 3). Cette sous-unité α comporte quatre domaines homologues (notés de I à IV) chacun constitué de six segments transmembranaires (S1 à S6). Chez les vertébrés, deux sous-unités auxiliaires nommées β 1 et β 2 peuvent s’associer à la sous-unité α et moduler ses propriétés fonctionnelles [67]. Il existe de très fortes homologies de structure primaire, pouvant atteindre 67%, entre les sous-unités α de canaux sodium des insectes et celles des mammifères [27]. Chez les invertébrés, comme les insectes, un seul type de sous-unité auxiliaire a été mis en évidence : les sous-unités α sont associées aux sous-unités auxiliaires sous-unités TipE et TEH de la drosophile [21].

Si chez les vertébrés la diversité moléculaire et fonctionnelle des canaux sodium est générée par une multiplicité de gènes (9 gènes identifiés, notés Nav1 à Nav9), au contraire chez les insectes, seulement un gène fonctionnel a été caractérisé à ce jour. Chez les mammifères, les différents gènes vont avoir des distributions tissulaire et subcellulaire différentes, montrant leur implication dans des fonctions physiologiques différentes [37]. Ainsi, les isoformes Nav1.1, Nav1.2, Nav1.3 et Nav1.6 sont exprimées dans le système nerveux central. Au niveau d’un seul neurone, co-existent différentes isoformes de canaux sodium localisés dans différentes régions : Nav1.1 et Nav1.2 au niveau du segment d’initiation et Nav1.6 au niveau des nœuds de Ranvier de l’axone myélinisé. Les isoformes Nav1.4 et Nav1.5 sont trouvées dans le tissu musculaire strié et cardiaque, respectivement. Les 3 dernières isoformes (Nav1.7, Nav1.8 et Nav1.9) sont exprimées dans le système nerveux périphérique. Chez les insectes, la situation est différente. Chez Drosophila melanogaster et chez Blatella germanica, le rôle de modifications post-transcriptionnelles telles que l’épissage alternatif et l’édition d’ARN de A à I sont responsables de la diversité moléculaire, fonctionnelle et pharmacologique du canal sodium [50] [60].

2.2. Les toxines de scorpion actives sur les canaux sodium

Le canal sodium est la cible de nombreuses neurotoxines naturelles qui interagissent sur le canal au niveau de 6 sites pharmacologiques distincts (figure 4) [8]. Lorsqu’un site est occupé par un type de toxine ou ligand, il y a altération d’au moins une des trois propriétés fondamentales du canal à savoir la cinétique d’ouverture ou activation, la cinétique de fermeture ou inactivation, le passage des ions sodium ou conductance ionique. En raison de leur forte affinité et de leur spécificité d’interaction, certaines neurotoxines sont utilisées comme des marqueurs ou des ligands de référence pour identifier le type de canal sodium et leur rôle fonctionnel.

2.2.1 Les toxines de type α

En fonction de leur préférence pharmacologique ou de leur spécificité vis-à-vis des espèces animales, les toxines α peuvent être subdivisées en 3 sous-classes :

les toxines α anti-mammifères strictes ou classiques,

les toxines α anti-insectes,

les toxines α anti-mammifères et anti-insectes ou mixte

Les toxines de type α sont les éléments responsables de la toxicité des venins des Buthidés paléotropicaux (continents africain et asiatique). En revanche, elles sont pauvrement représentées ou inexistantes chez les Buthidés néotropicaux (continents américains). Le venin d’un Buthidé paléotropical contient plusieurs toxines de type α ciblant les canaux sodium de mammifères ou les canaux sodium d’insectes. Comme exemple, le venin du scorpion nord-africain Androctonus australis est remarquable. La quasi-totalité de la toxicité de ce venin pour l’homme est due à la présence à de très faibles concentrations de seulement trois toxines de type α anti-mammifères (AaHI, AaHII et AaHII). Parmi ces 3 toxines, la AaH II est considérée comme la toxine α anti-mammifère modèle ou de référence avec la plus puissante activité. A elle seule, elle participe pour 50% à la toxicité du venin, avec une DL50 par injection intracérébroventriculaire chez la souris <1 ng/ 20 g, et l’affinité la plus basse pour son site de fixation dans les synaptosomes de cerveau de rat (KD = 0,1 nM) [34] [39].

Lqhα IT, BotIT1 et Lqq III ont été décrites comme des toxines anti-insectes de type α et présentent des activités anti-mammifères très faibles [23] [36].

La 3ème catégorie de toxines α regroupe des toxines ayant une activité relativement moins forte que les précédentes, mais ciblant à la fois les mammifères et les insectes [4].

Se fixant sur le site 3, elles induisent une prolongation caractéristique du potentiel d’action en agissant sur la phase d’inactivation du canal sodium (figure 5). Cette fixation est dépendante du potentiel de membrane par le biais d’un phénomène allostérique. Les boucles extracellulaires reliant les segments S5 et S6 des domaines I et IV du canal sodium participent au site de fixation des toxines α [62] [63]. La boucle extracellulaire reliant les segments S3 et S4 du domaine IV est également impliquée de façon très importante dans la fixation de ces toxines [57] [59] [40]. Ces travaux montrent qu’il existe en particulier une interaction électrostatique impliquant un résidu acide (Nav1.2a Glu1613 ; Nav1.4 Asp1428 ; Nav1.5 Asp 1612) dans la boucle S3 et S4 du domaine IV. Par ailleurs, il semble que les différences de sensibilité des différentes isoformes de canaux sodium vis-à-vis des toxines α anti-mammifères, ou anti-insectes, ou mixtes seraient dues à la nature des séquences des boucles S3 et S4 du domaine IV [28].

2.2.2. Les toxines de type β

Tout comme les toxines α, les toxines β sont subdivisées en fonction de leur préférence pharmacologique en :

  • les toxines β anti-mammifères strictes ou classiques,
  • les toxines β anti-mammifères et anti-insectes ou mixte,
  • les toxines β anti-insectes.

Ces toxines ont été identifiées essentiellement dans les venins des Buthidés néotropicaux, appartenant aux sous-familles de Centrurinae et Tityinae. La Css II représente la toxine de référence pour cette classe de toxines longues [17]. Elle est responsable de la forte toxicité du venin du scorpion Centruroides suffusus suffusus pour l’homme. Elle se fixe avec une affinité nanomolaire sur le site 4 son récepteur dans les préparations de synaptosomes de rat et elle est sans effet sur les insectes [3]. Centruroides suffusus suffusus pose des problèmes de santé publique dans les zones rurales du nord est de Mexico.

Les toxines β anti-mammifères et anti-insectes ou mixtes, dont la plus étudiée est Ts VII (Tityus serrulatus) du venin d’un scorpion brésilien dangereux, présente des affinités similaires pour le site 4 dans les préparations de synaptosomes de cerveaux de rat ou d’insecte [19] [ 9].

Les toxines β anti-insectes sont elles-mêmes subdivisées en toxines à activités contracturante ou flaccide en fonction du type de leur activité paralysante sur les larves de drosophiles. Ces toxines présentent un intérêt particulier pour leur potentialité à être utilisées comme insecticides [29].

Ainsi les toxines de scorpion de type β constituent la deuxième classe importante de toxines longues qui interagissent avec le site 4 des canaux sodium (figure 6). Leur fixation sur ce canal n’entre pas en compétition avec celles des toxines de type α. Elles induisent un déplacement du seuil d’activation du canal vers des valeurs de potentiels plus négatives et une réponse alors sous forme de trains de potentiels d’action [6] [13]. A l’opposé de l’activité des toxines α l’activité des toxines β est indépendante du potentiel de membrane. Cependant, l’effet de certaines toxines β (Cs IV) est plus prononcé lorsqu’un bref choc dépolarisant préliminaire est appliqué avant le choc test [13]. Plusieurs études de mutagenèse dirigée ont montré clairement que le site 4 des toxines β est situé au niveau du domaine II, et implique des résidus d’acides aminés situés dans les boucles extracellulaires S1-S2 et S3-S4 [44] [13]. Cestèle et al. (1998) [13] sont les premiers auteurs à avoir proposé l’hypothèse que les toxines β agissent sur le domaine II selon un mécanisme de piégeage du senseur de potentiel (voltage-sensor trapping).

2.3. Interactions allostériques

Les différents sites pharmacologiques du canal sodium sont distincts du point de vue de leur topologie, mais ils interagissent les uns avec les autres de façon allostérique. Ainsi, la fixation d’une toxine sur un des sites peut moduler de façon allostérique la fixation d’une seconde toxine sur un site différent du premier. La tétrodotoxine (TTX/ Site 1) et la vératridine (alcaloïde / Site 2) suppriment l’inhibition de l’activité de la toxine AaH II (Site 3 du canal sodium de rat) induite par la brévétoxine (Site 5) [10] [11] [12].

3. Les toxines de scorpion actives sur les canaux potassium

Après les canaux sodium, la seconde cible principale des venins de scorpion est représentée par les canaux potassium. Même si ces canaux sont impliqués dans des fonctions physiologiques importantes, l’interaction des toxines de scorpion avec ces canaux n’explique pas leur absence de toxicité pour l’homme. Expérimentalement, ces toxines se montrent convulsivantes lorsqu’elles sont injectées par voie intra-cérébrale. Cependant, il est sans doute pertinent de considérer leur activité en synergie avec les toxines anti-canal sodium.

3.1. Les canaux potassium : une superfamille de canaux ioniques

Les canaux potassium représentent une famille gigantesque de canaux ioniques qui sont distribués de manière ubiquitaire, des microorganismes les plus simples aux êtres vivants supérieurs [32]. Leur rôle essentiel est de contrôler le potentiel de membrane des cellules et par conséquent, ils sont impliqués dans des fonctions physiologiques importantes et variées, telles que la régulation de la fréquence et de la durée des potentiels d’action dans le système nerveux et le tissu cardiaque, la sécrétion d’hormones, la prolifération des lymphocytes T [31]. De nombreuses toxines de scorpion agissent plus ou moins spécifiquement sur les canaux potassium dépendant du potentiel. Certaines de ces toxines ont constitué des outils pour comprendre et élucider la structure et les fonctions de ces canaux.

Les canaux potassium dépendant du potentiel peuvent être divisés en deux groupes : les canaux potassium de type Kv et canaux potassium activés par le calcium (BKCa, IKCa et SKCa) [31]. Ces canaux sont des protéines membranaires hétéromultimériques très sélectives pour les ions K+ grâce à la présence d’un motif consensus ou filtre sélectif (TXXTXG[Y/F]G) au niveau de la région formant le pore [30] [22] (figure 7). Pour former un canal fonctionnel, 4 sous-unités, dites sous-unités α à 6 segments transmembranaires (S1 à S6) sont nécessaires. Les canaux potassium activés par le calcium de grande conductance BKCa, sont la seule exception, car leurs sous-unités α possèdent 7 segments transmembranaires (S0 à S6). Comme pour les canaux sodium, il existe des sous-unités auxiliaires ou sous-unités β dont le rôle est de moduler l’expression et l’activité des sous-unités α [64]. La diversité moléculaire des canaux potassium dépendant du potentiel s’appuie en premier lieu sur une famille multigénique, à laquelle s’ajoutent aussi des phénomènes d’épissage alternatif. Face à cette diversité, les toxines de scorpion offrent des outils pharmacologiques incontournables pour étudier les rôles fonctionnels et la structure des canaux K+ [53] [26]. Par ailleurs, des études de cristallographie ont permis de déterminer la structure de ces canaux, apportant des informations précises sur les mécanismes moléculaires impliqués dans leur sélectivité et leur activation [22] [42] [43]

3.2. Une famille de toxines qui s’agrandit

Aujourd’hui, on compte plus de 70 peptides isolés à partir des venins de scorpion et présentant une activité inhibitrice sur les canaux potassium de type Kv et KCa. Ces peptides inhibiteurs des canaux potassium sont classés en quatre familles en fonction du nombre de résidus en acides aminés, du nombre de ponts disulfure et des degrés d’homologie de structure primaire :

-les α-KTx, de 30 à 40 résidus et réticulées par 3 ou 4 ponts disulfure, elles agissent sur les canaux de type Kv et KCa ;

-les β-KTX, de 60-64 résidus et réticulées par 3 ponts disulfure ;

-le γ-KTx, de 35-42 résidus et réticulées par 3 ponts disulfure, elles agissent sur les canaux potassium dépendant du potentiel de type HERG ;

-les κ-KTx, récemment découvertes, elles ne contiennent que 22-23 résidus et sont réticulées par deux ponts disulfure.

Face à l’accroissement du nombre de séquences de toxines découvertes, une nomenclature simplifiée a été proposée basée sur les degrés d’homologie de séquence en acides aminés [65]. Le mécanisme d’inhibition se fait par une occlusion physique du pore du canal K+ ciblé, à l’exception du cas des κ-KTx dont le mécanisme d’action n’est pas encore clairement défini [56] (Figure 8).

3.2.1. les α-KTx

Historiquement, les α-KTx sont les premières découvertes et elles ont été les mieux étudiées. On les subdivise en 12 sous-familles en fonction du degré d’homologie de structure primaire avec la charybdotoxine, une des premières toxines actives sur les canaux K+ décrite. De nombreux travaux ont montré que l’interaction toxine-canal fait intervenir un ensemble de forces électrostatiques, hydrophobes et de liaisons hydrogène [45]. La surface active d’une toxine présente en son centre un résidu de lysine (souvent en position 27) entouré d’autres résidus basiques et de résidus hydrophobes. Lors de l’interaction de la toxine avec le canal, la chaîne latérale de cette lysine (ou lysine 27) place son groupement ammonium à l’entrée du pore du canal, mimant un ion K+ attaché à une tige. Il en résulte une répulsion des ions K+ voulant sortir du canal. Les autres résidus de la surface active participent à la reconnaissance du canal et à l’arrimage de la toxine sur son site récepteur. En fait, il n’y a qu’un nombre restreint de résidus importants qui vont être responsables de la haute affinité et de la spécificité de liaison de ces toxines à leur récepteur. Cependant, il est encore aujourd’hui très difficile de définir les modalités moléculaires exactes qui régissent ces interactions et leur spécificité. Une meilleure compréhension de ces modalités devrait à terme permettre de rationaliser et de mieux modéliser ces interactions, afin de concevoir de nouveaux ligands au moins aussi performants.

La résolution de la structure tridimensionnelle des toxines de scorpion, obtenue par résonance magnétique nucléaire (RMN) du proton en solution, a largement contribué à la compréhension des relations structure-fonction de l’interaction toxine-canal. L’utilisation de ces toxines comme des sondes structurales a permis de mieux comprendre la topologie du pore du canal K+. Des expériences de cycles thermodynamiques de double-mutation canal-toxine ont apporté des informations structurales sur la structure du vestibule de l’entrée du canal. Comme les études structurales par diffraction des rayons X des canaux K+ sont restées infructueuses pendant longtemps, les toxines peptidiques ont apporté de nombreuses informations sur l’organisation structurale des canaux K+ en admettant que les surfaces d’interaction protéine-protéine soient complémentaires.

3.2.2. les β-KTx

Cette famille ne comporte peu de membres. La Ts TX Kβ, est un peptide de 60 résidus et réticulé par seulement 3 ponts disulfure. Cette toxine est active sur des canaux K+ [58]. Il existe donc une autre classe de peptides de scorpion plutôt longs actifs sur les canaux K+. Un nouveau membre, la AaH Kβ, a été mis en évidence par clonage dans la banque d’ADNc du scorpion, Androctonus australis [38]. Cette classe de peptides présente une grande homologie avec les défensines d’insecte. Ceci apporte une nouvelle indication sur les liens évolutifs qui existent entre les toxines de venins de scorpion et les défensines d’insectes.

3.2.3. les γ-KTx

Cette famille regroupe des peptides qui affectent une famille particulière de canaux K+ dépendant du potentiel appartenant à la famille ether-à-go-go (EAG) [58]. Les canaux homologues à cette famille chez l’homme sont connus sous la dénomination de canaux de type HERG. On compte 4 membres dans cette famille : CnErg 1, BeKm-1, ErgTx et CsEKerg1.

3.2.4 les κ-KTx

Les κ-KTx ou κ-Héfutoxines ont été découvertes en 2002 chez un scorpion indien (Heterometrus fulvipes). Elles présentent une structure unique chez les toxines de scorpion correspondant à 2 hélices α parallèles et liées par 2 ponts disulfure [61]. Le mécanisme par lequel ces toxines inhibent les canaux Kv1.2 et Kv1.3 semble rappeler celui des autres toxines de scorpion agissant sur les canaux K+.

4 Les toxines de scorpion actives sur les canaux calcium

Les toxines de scorpion actives sur les canaux calcium ont été découvertes beaucoup plus récemment. On regroupe ici deux types de toxines, les kurtoxines homologues aux toxines longues actives sur les canaux sodium et les impératoxines, constituant une nouvelle famille structurale. Les types de canaux Ca2+ visés par ces deux familles de toxines sont très différents. Les kurtoxines, du scorpion Parabuthus transvaalicus, agissent comme des inhibiteurs sur des canaux Ca2+ dépendant du potentiel de type T, les canaux Kv3.1 et Cav3.2 [15] [49], à la manière des toxines β sur le canal sodium. Les impératoxines du scorpion Pandinus imperator agissent comme des agonistes, en activant des canaux Ca2+ sensibles à la ryanodine (alcaloïde), RyR1 et RyR3 [68].

5. Les toxines de scorpion actives sur les canaux chlore

Les canaux Cl- constituent une grande famille de canaux ioniques qui peuvent être régulés par le potentiel de membrane. Ils jouent un rôle important, en particulier dans les processus de régulation du volume cellulaire et de stabilisation du potentiel de repos dans la transduction du signal.

La chlorotoxine du venin du scorpion Leiurus quinquestriatus a été découverte en 1993. Elle est toxique pour l’écrevisse et la blatte [20]. Elle bloque les canaux Cl- avec une bonne affinité (de l’ordre du µM) et de façon dépendante du potentiel. Cette toxine s’est avérée utile comme marqueur de gliomes malins qui expriment anormalement des conductances au Cl- [25].

Conclusion

La toxicité des venins de scorpion s’explique par la présence d’une panoplie de polypeptides neurotoxiques, fortement réticulés par des ponts disulfure dont la cible principale est le canal sodium des cellules excitables. Cependant, les venins de scorpion contiennent une multitude d’autres peptides et ils tiennent ainsi une place importante comme source de ligands spécifiques et de forte affinité pour l’étude des canaux ioniques. Ces toxines s’avèrent des outils moléculaires incontournables dans les études structurales, physiologiques et même physiopathologiques des canaux ioniques.
La spécificité d’action des toxines a permis d’accéder à une meilleure connaissance des divers mécanismes dépendant des différents canaux ioniques et de comprendre leur rôle, mais aussi d’étudier leur distribution dans les tissus. L’étude des déterminants moléculaires responsables de la spécificité d’action est un vaste domaine de recherche qui n’apporte pas encore de réponses claires sur la façon dont les toxines de scorpion reconnaissent un type de canal ionique plutôt qu’un autre.
Il est possible d’envisager, au vu de la spécificité de ces toxines, des applications thérapeutiques dans des affections impliquant des dysfonctionnements de canaux ioniques ou d’autres récepteurs (algies, myopathies, mucoviscidose, épilepsie...). La piste la plus explorée actuellement, est certainement l’utilisation de la chlorotoxine active sur les canaux chlore [25]. Longtemps controversée dans la communauté des toxinologues, cette toxine s’avère être un marqueur de gliome.

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