La mélatonine (MLT), ou 5-méthoxy-N-acétyltryptamine, également appelée hormone du sommeil, est une hormone qui régule de nombreuses fonctions physiologiques dans le corps humain. Elle est principalement synthétisée par les pinéalocytes localisés dans la glande pinéale des mammifères. Ces cellules utilisent en effet le tryptophane pour le transformer en sérotonine de manière constitutive, sérotonine qui sera elle-même transformée en MLT durant la nuit, régulant ainsi le cycle jour/nuit chez l’homme. Une fois sécrétée, la MLT est libérée dans le système sanguin lui permettant d’atteindre différentes régions du corps humain afin d’entraîner une réponse physiologique adéquate. La MLT nocturne endogène régule les rythmes circadiens. Elle affecte l’initiation et l’architecture du sommeil, les fonctions rétiniennes, l’homéostasie du glucose, les fonctions immunitaires et la reproduction saisonnière [1]. La majeure partie de ses actions est transduite par l’activation de ses deux récepteurs exprimés par ses cellules cibles. Les récepteurs de la MLT appartiennent à la famille des récepteurs à sept domaines transmembranaires couplés aux protéines G (RCPG) [2]. Deux récepteurs de haute affinité de la MLT ont été identifiés chez les mammifères : MT₁ (anciennement nommé Mel1a ou ML1A) et MT₂ (anciennement Mel1b ou ML1B).

Les RCPG forment le plus grand et le plus varié des groupes de récepteurs membranaires chez les eucaryotes. Ces récepteurs de surface cellulaire transduisent les signaux de nombreux messagers comme des peptides, des lipides, des métabolites, des sucres ou encore des protéines, ou de la lumière (Figure 1). Ces messagers renseignent les cellules sur leur environnement. Leurs récepteurs jouent un rôle important dans de nombreuses fonctions biologiques et la compréhension de leur fonctionnement a eu un important impact en médecine moderne. Environ 30 % des médicaments actuellement sur le marché sont en effet des molécules liant ces RCPG. Les hommes, à eux seuls, expriment environ 800 de ces récepteurs, dont plusieurs sont coexprimés en même temps dans chaque cellule du corps. Les RCPG sont également appelés « récepteurs à sept domaines transmembranaires », domaines qui sont reliés entre eux par des boucles intracellulaires (ICL1, ICL2 et ICL3) et extracellulaires (ECL1, ECL2 et ECL3) (Figure 1). Les mutations touchant les gènes codant ces récepteurs sont impliquées dans de très nombreuses maladies, notamment le diabète de type 2 (DT2) [3, 4] (→).

(→) Voir la Synthèse de N. Bouatia-Naj et al., m/s n° 11, novembre 2009, page 897

Figure 1. Schéma d’un récepteur couplé aux protéines G avant et après son activation. Le récepteur couplé aux protéines G est représenté sous sa forme inactive. La sous-unité α est couplée au GDP (guanosine di-phosphate) et les protéines Ga, Gb, Gγ sont liées au sein du même complexe. Lorsque le récepteur prend sa forme active, de façon spontanée ou stabilisé par la liaison d’un ligand agoniste, il entraîne le remplacement du GDP lié à la sous-unité α par le GTP (guanosine tri-phosphate) et la dissociation du complexe α/β/γ. L´activation du récepteur va ainsi entraîner l’activation de plusieurs voies de signalisation dépendantes des protéines Gα ou Gβγ. Finalement, la β-arrestine est recrutée par le récepteur et entraîne sa désensibilisation, son internalisation et une signalisation spécifique de cette protéine.

Figure 1. Schéma d’un récepteur couplé aux protéines G avant et après son activation. Le récepteur couplé aux protéines G est représenté sous sa forme inactive. La sous-unité α est couplée au GDP (guanosine di-phosphate) et les protéines Ga, Gb, Gγ sont liées au sein du même complexe. Lorsque le récepteur prend sa forme active, de façon spontanée ou stabilisé par la liaison d’un ligand agoniste, il entraîne le remplacement du GDP lié à la sous-unité α par le GTP (guanosine tri-phosphate) et la dissociation du complexe α/β/γ. L´activation du récepteur va ainsi entraîner l’activation de plusieurs voies de signalisation dépendantes des protéines Gα ou Gβγ. Finalement, la β-arrestine est recrutée par le récepteur et entraîne sa désensibilisation, son internalisation et une signalisation spécifique de cette protéine.

Comme leur nom l’indique, les RCPG interagissent avec les protéines G au niveau de la membrane plasmique. Lorsqu’un ligand se lie à un RCPG, il induit un changement conformationnel du récepteur, conduisant à des interactions de proximité avec les protéines G. Les protéines G s’associant aux RCPG sont hétérotrimériques. Elles sont constituées de trois sous-unités différentes : une sous-unité alpha, une bêta et une gamma. Les sous-unités alpha et gamma sont liées à la membrane plasmique par des ancrages lipidiques ; la sous-unité alpha, selon sa conformation, lie le GTP (forme active) ou le GDP (forme inactive). En l’absence de signal, le GDP est lié à la sous-unité alpha et ce complexe est lui-même lié aux RCPG. Cette conformation inactive persiste jusqu’à ce qu’une molécule de signalisation se lie au récepteur et entraîne le remplacement du GDP par le GTP et la dissociation du complexe triprotéique en deux parties : la sous-unité alpha liée au GTP d’une part, et le dimère bêta-gamma d’autre part (Figure 1). Il faut néanmoins noter que le complexe RCPG/protéine G n’est pas figé. Même en l’absence de ligand, la conformation du RCPG change en effet de manière plus ou moins importante, lui permettant d’activer certaines protéines G. C’est ce que l’on appelle l’activité spontanée ou constitutive du récepteur.

L’activation d’une seule protéine G peut affecter la production de centaines de seconds messagers, comme l’AMP cyclique (AMPc), le diacylglycérol (DAG), l’inositol 1, 4, 5-triphosphate (IP3), ou l’activation des cascades de kinases comme celles régulées par un signal extérieur (ERK, extracellular signal-regulated kinase) qui coordonnent les voies de signalisation intracellulaires.

Le modèle principal de la signalisation des RCPG postule que, suite à la stimulation par l’agoniste et à la génération du second messager, la protéine G est physiquement découplée du récepteur afin d’éviter les effets négatifs d’une stimulation prolongée du récepteur dans la cellule. Ce processus de désensibilisation du RCPG est principalement initié par les kinases spécifiques du RCPG (GRK, G-protein-coupled receptor kinases) et d’autres kinases qui phosphorylent les résidus sérine et thréonine situés dans les boucles intracellulaires et au niveau C-terminal des récepteurs activés. Les récepteurs phosphorylés vont alors activer et recruter vers la membrane plasmique les protéines β-arrestines du cytoplasme, entraînant la fin de la signalisation dépendante des protéines G, l’internalisation du récepteur et une signalisation dépendant de la β-arrestine (Figure 1).

Le DT2 est une pathologie multifactorielle dont le développement dépend du patrimoine génétique et de l’environnement de l’individu [4]. Pour comprendre le lien entre la MLT et le DT2, il faut savoir que cette hormone peut avoir plusieurs types d’effets. Ses effets peuvent être immédiats, suite à sa sécrétion nocturne, mais également prospectifs ou retardés, généralement amorcés pendant la nuit, avec des conséquences fonctionnelles pendant la journée ; des effets chronobiologiques reposant sur l’action directe de la MLT sur l’horloge circadienne et saisonniers (dépendant de la durée de la nuit) sont également décrits [5]. Il est fortement probable que le dysfonctionnement de l’un ou de plusieurs de ces effets contribue au développement du DT2. En effet, la dérégulation des cycles de sécrétion de la MLT [6], des dérégulations du rythme circadien [7] ou encore un sommeil insuffisant [8] augmentent le risque de développer le DT2.

Dans ce contexte de relation complexe entre la MLT et le DT2, la génétique humaine a permis d’apporter des avancées majeures ces dix dernières années. Un variant fréquent (rs10830963) positionné au niveau de l’intron du gène MTNR1B codant le récepteur MT₂ a été associé à la dérégulation de l’homéostasie glycémique, augmentant ainsi le risque de développer un DT2 [9] (→).

(→) Voir la Synthèse d’A. Karamitri et al., m/s n° 8-9, août-septembre 2013, page 778

L’effet de l’allèle de risque du variant rs10830963 commence probablement précocement, lors du développement de l’hyperglycémie à jeun chez les sujets prédiabétiques, en affectant la sécrétion d’insuline [10]. Ces observations ont permis de formuler l’hypothèse d’un éventuel dysfonctionnement du récepteur MT₂ dans le DT2.

Les deux exons du gène MTNR1B ont été séquencés chez des personnes normoglycémiques et diabètiques et 40 variants rares ont été découverts (Figure 2). Ce travail collaboratif entre le laboratoire du Pr Froguel et le nôtre a permis de montrer que les variants ayant une perte de fonction étaient associés à un risque accru de développement du DT2 [3]. Cette étude, s’appuyant sur un grand nombre de variants MT₂ naturels, a fourni une opportunité unique de caractériser avec une grande précision un RCPG associé au développement du DT2 [11].

Figure 2. Représentation du récepteur MT2 et de la position des différents variants rares identifiés. En noir sont représentées les positions des différents variants identifiés dans l’étude précédente menée par Bonnefond et al. [3].

Figure 2. Représentation du récepteur MT2 et de la position des différents variants rares identifiés. En noir sont représentées les positions des différents variants identifiés dans l’étude précédente menée par Bonnefond et al. [3].

Pour appréhender la nature du(des) défaut(s) fonctionnel(s) augmentant le risque des porteurs de variants rares dans le gène MTNR1B de développer un DT2, nous avons conjugué une analyse cellulaire et pharmacologique avec une analyse bioinformatique.

Profilage génétique et association avec le DT2

Afin de déterminer quels défauts de signalisation pouvaient avoir une influence sur le développement du DT2, nous avons pris en compte 9 paramètres : l’activation spontanée et induite par la MLT de Gαi1, Gαz, le recrutement spontané et induit par la MLT de la β-arrestine 2, l’inhibition de la production d’AMPc, l’activation d’ERK induite par la MLT et enfin l’absence de différences de signalisation comparativement au récepteur sauvage (Figure 3). Grâce aux tests statistiques, nous avons par la suite révélé que les mutants rares ayant un défaut d’activation des protéines Gαi1 ou Gαz engendrée par la MLT et de recrutement spontané de la β-arrestine 2 étaient associés de manière préférentielle à un risque accru de développer le DT2. Ce résultat est surprenant et remarquable à plusieurs titres. Dans le cas des protéines G, l’activité constitutive n’est pas reliée à un risque accru de développer le DT2, seule l’activité induite par la MLT l’est. La situation est inverse concernant la β-arrestine 2. Ces résultats suggèrent donc deux types de défauts liés aux mutants du récepteur MT₂ : l’un dépend de la capacité du récepteur à activer des protéines G et l’autre de sa capacité à recruter la β-arrestine 2. La composante dépendant des protéines G est régulée par le MT2 et est donc rythmée par la sécrétion nocturne de la MLT. En revanche, la composante dépendant de la β-arrestine 2 est uniquement liée à la quantité de MT₂ exprimée dans la cellule et n’est pas limitée à la période nocturne. Le niveau d’expression des récepteurs de la mélatonine peut varier de façon circadienne, rajoutant un niveau supplémentaire de régulation [14, 15]. Ce résultat ouvre une nouvelle voie de recherche qui viserait à mieux comprendre les conséquences fonctionnelles du recrutement de la β-arrestine 2 au voisinage de MT₂, conséquences qui restent pour l’instant peu explorées.

Figure 3. Représentation des mutants ayant des défauts de signalisation. Représentation graphique du nombre de mutants ayant un défaut dans les 8 paramètres testés expérimentalement. En bleu sont représentés les mutants ayant un défaut d’activité spontanée, en rouge les mutants ayant un défaut d’activité induite par la mélatonine (MLT) et en noir ceux n’ayant aucun défaut et ayant par conséquent le même profil de signalisation que le récepteur de la mélatonine MT2 sauvage. Les flèches indiquent les défauts associés à un risque accru de développer le diabète de type 2 (DT2).

Figure 3. Représentation des mutants ayant des défauts de signalisation. Représentation graphique du nombre de mutants ayant un défaut dans les 8 paramètres testés expérimentalement. En bleu sont représentés les mutants ayant un défaut d’activité spontanée, en rouge les mutants ayant un défaut d’activité induite par la mélatonine (MLT) et en noir ceux n’ayant aucun défaut et ayant par conséquent le même profil de signalisation que le récepteur de la mélatonine MT2 sauvage. Les flèches indiquent les défauts associés à un risque accru de développer le diabète de type 2 (DT2).

Depuis de nombreuses années, les chercheurs tentent de relier des variants génétiques à des risques accrus de développer certaines maladies pour trouver des traitements mieux ciblés et présentant moins d’effets secondaires. C’est dans ce contexte que cette étude fut réalisée. Au cours de celle-ci, nous avons caractérisé de manière approfondie le récepteur MT₂ sauvage ainsi que 40 mutants naturels. Nos résultats ont montré que certains défauts fonctionnels du récepteur MT_2, dus à des variants rares, augmentent le risque de développer un DT2. Tant l’activation des protéines G induite par la MLT durant la nuit que le recrutement spontané de la β-arrestine 2 sur le récepteur MT₂ semblent avoir un impact sur le développement du DT2, nous indiquant l’importance du cycle circadien dans le développement du DT2.

Ces informations seront à la fois utiles pour de futures études sur le système mélatoninergique, mais également pour le traitement du DT2, une maladie complexe et multifactorielle qu’il est parfois difficile de traiter. Il serait maintenant intéressant de développer des molécules permettant de restaurer la signalisation normale des mutants associés à un risque accru de développer un DT2 dans le but final de fournir un traitement personnalisé aux personnes souffrant de DT2.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Nous tenons à remercier l’Agence nationale de la recherche (ANR-2011-BSV1-012-01 « MLT2D » et ANR-2011-META « MELABETES », ANR-12-RPIB-0016 “MED-HET-REC-2”), la Fondation pour la recherche médicale (Équipe FRM DEQ20130326503), le “Who am I?” laboratory d’excellence No.ANR-11-LABX-0071 financé par le Gouvernement Français par le programme “Grand Imprint“ R-11-IDEX-0005-01, ainsi que l’Inserm et le CNRS pour leurs soutiens financiers. Nous remercions l’ensemble des collègues ayant participé à la réalisation du travail publié dans la revue Science Signaling en 2018 pour leur collaboration fructueuse, et en particulier Angeliki Karamitri, Bianca Plouffe et Amélie Bonnefond, les trois premiers auteurs principaux de ce travail.