Le principal obstacle à l’administration de molécules actives dans l’organisme vient du blocage qu’oppose la membrane plasmique à l’entrée dans les cellules des molécules hydrophiles. Un accès intracellulaire pour ces composés s’effectue donc au prix de leur administration répétée et massive ou par le biais de stratégies de formulation adéquates. Une méthode permettant de pallier ce problème se développe à vitesse exponentielle. Il s’agit de l’utilisation de peptides de pénétration cellulaire (CPP pour cell penetrating peptide). Ce sont de petits peptides d’une taille variant de 10 à 30 acides aminés, et qui ont une charge nette positive, essentiellement apportée par des résidus lysines et arginines. Ils peuvent être internalisés dans les cellules par un ou plusieurs mécanismes, dont certains ne nécessitent pas d’apport énergétique cellulaire. En règle générale, les CPP n’ont pas de récepteurs cellulaires connus, à l’exception notable de certains d’entre eux issus de protéines fonctionnelles plus larges.

Ce sont Frankel et Pabo qui les premiers en 1988, en étudiant l’activité de la protéine Tat du virus de l’immunodéficience humaine (VIH), se sont aperçus que cette protéine purifiée était capable de pénétrer dans les cellules [ 1]. Par la suite, Joliot et al. ont montré en 1991 que la protéine Drosophila antennapedia homeodomain pénètre dans les cellules neuronales et qu’elle a la capacité de s’accumuler dans les noyaux cellulaires [ 2]. À l’issue de ces travaux, le tout premier CPP à être décrit, la pénétratine, encore appelée Antp, d’une longueur de 16 acides aminés, fut dérivé de la troisième hélice de Drosophila antennapedia homeodomain [ 3]. Cette étude démontrait pour la première fois que les propriétés de pénétration cellulaire d’une protéine sont dues à des séquences minimales au sein de ces protéines également appelées protein transduction domain (PTD). En 1998, Vives et al. [ 4] ont adopté la même approche d’étude pour les domaines tronqués de la protéine Tat et identifié une séquence minimale de la protéine capable d’entrer dans les cellules. Ce peptide a été appelé Tat également en référence à la protéine et ses utilisations ont connu un succès grandissant. Ces deux peptides, pénétratine et Tat, sont devenus les premiers CPP d’une longue liste de peptides capables de se distribuer au sein des cellules. Parmi ces nouveaux peptides, la maurocalcine est un CPP original [ 5] car issu du venin d’un scorpion tunisien Scorpio maurus palmatus. Ce peptide de 33 acides aminés fut identifié grâce à son activité pharmacologique en tant qu’activateur du récepteur à la ryanodine (RyR1) des muscles squelettiques. La cible est particulièrement originale puisqu’il s’agit d’un canal calcique intracellulaire impliqué dans le couplage excitation-contraction [ 6]. Ces observations avaient laissé entrevoir la possibilité que la maurocalcine devait traverser la bicouche lipidique des cellules afin d’exercer sa fonction d’activateur de canal calcique. Cette hypothèse était largement renforcée par le fait que le site d’interaction de la maurocalcine sur RyR1 est localisé dans une zone du cytoplasme [ 7]. La démonstration que la maurocalcine était effectivement un CPP est venue des observations suivantes : (1) l’application extracellulaire du peptide à des myotubes induit une libération calcique quasi instantanée [ 8]; et (2) la greffe d’une protéine streptavidine fluorescente sur la maurocalcine biotinylée permet sa translocation intracellulaire [5]. Par ailleurs, la maurocalcine partage en commun avec les autres CPP la propriété d’être un peptide basique dont de nombreux acides aminés sont chargés positivement (11 sur 33). De plus, la plupart des acides aminés basiques sont localisés sur une même face de la molécule en accord avec la distribution asymétrique observée sur des molécules telles que Tat et pénétratine [ 9].

Le Tableau I recense des exemples de divers peptides de pénétration cellulaire, et la Figure 1 illustre l’origine de quelques-uns d’entre eux. Ces peptides peuvent être a priori séparés en quatre classes distinctes. À la classe des PTD découverts à l’origine (Tat et pénétratine) s’ajoutent donc trois classes supplémentaires : (1) la classe des peptides chimères, comprenant CADY [ 10], MPG [ 11], Pep-1 [ 12] et transportan [ 13]; (2) la classe des peptides modèles, dont les plus connus sont les peptides polyarginine [ 14]; et (3) la classe des CPP naturels comme les toxines de venins dont font partie la maurocalcine et la crotamine [ 15]. Les peptides chimères sont souvent issus d’une protéine plus large (transportan et CADY). Les peptides comme les polyarginines ou MAP (model amphipathic peptide) sont, eux, totalement artificiels et leur conception de novo a été inspirée des propriétés de certains acides aminés (basiques et hydrophobes) nécessaires à la pénétration cellulaire des peptides.

Figure 1. Origine de quelques CPP. Exemple de l’origine de quatre CPP : la maurocalcine, la pénétratine, Tat et la polyarginine. La maurocalcine, la pénétratine et Tat sont dérivés de séquences naturelles, alors que la polyarginine a été produite par conception de novo pour avoir une bonne pénétration cellulaire.

Figure 1. Origine de quelques CPP. Exemple de l’origine de quatre CPP : la maurocalcine, la pénétratine, Tat et la polyarginine. La maurocalcine, la pénétratine et Tat sont dérivés de séquences naturelles, alors que la polyarginine a été produite par conception de novo pour avoir une bonne pénétration cellulaire.

Le mécanisme d’accumulation des CPP dans le cytoplasme des cellules n’est pas encore clairement identifié. Il semble acquis que deux types d’internalisation cellulaire coexistent mais diffèrent drastiquement en termes d’efficacité d’accumulation cytoplasmique des CPP et donc d’applications possibles : d’une part, la translocation directe au travers de la bicouche lipidique, qui présente l’avantage d’un accès direct et rapide des CPP au cytoplasme des cellules; d’autre part l’endocytose qui, en revanche, présente l’inconvénient d’une accumulation cytoplasmique lente et limitée des CPP (Figure 2). La translocation peut suivre plusieurs schémas, les modèles de Barrel-Stave et Carpet étant les plus connus [ 16, 17]. Ces deux modèles ont été empruntés à l’étude des interactions des peptides antimicrobiens avec les bicouches lipidiques et la translocation des peptides est basée sur le concept de perturbation locale de la bicouche lipidique par des agrégats peptidiques. Il est utile de mentionner l’existence de trois modèles supplémentaires : (1) le modèle de pore transitoire, dans lequel les CPP intégrés dans la bicouche lipidique génèrent un courant ionique par formation de pore transmembranaire [ 18]; (2) le modèle de fusion membranaire, dans lequel les CPP, en s’insérant dans le feuillet externe de la bicouche lipidique, promeuvent une fusion locale et transitoire de deux régions membranaires, rapprochant ainsi les surfaces cationiques des CPP du feuillet interne anionique de la membrane et facilitant le transfert intracellulaire du CPP [ 19]; et (3) un modèle d’électroporation, dans lequel la fixation de CPP cationiques aux lipides anioniques de surface de la membrane plasmique crée un champ électrique transmembranaire. Ceci altère les tensions latérales et de courbure de la membrane et crée les conditions favorables à une électroporation membranaire permettant l’internalisation des peptides par la formation de structures membranaires atypiques et transitoires [ 20]. Le terme endocytose représente la phagocytose pour les grosses particules et la pinocytose pour les solutés. Quatre types de pinocytose existent : la macropinocytose, l’endocytose dépendante de la cavéoline ou de la clathrine et l’endocytose indépendante de la clathrine et de la cavéoline [ 21]. Selon le type de CPP et de cargo utilisé, chacun de ces mécanismes d’endocytose a été impliqué dans l’internalisation des CPP. La contribution respective des mécanismes d’entrée des CPP (translocation versus endocytose) varie selon la nature du CPP utilisé, sa concentration ainsi qu’en fonction du cargo transporté.

Figure 2. Mécanismes d’entrée dans la cellule. Deux modes d’entrée des molécules dans la cellule existent : l’endocytose et la translocation. L’endocytose regroupe la macropinocytose, la phagocytose, l’endocytose dépendante de la clathrine, l’endocytose dépendante de la cavéoline et l’endocytose indépendante de la clathrine et de la cavéoline. La translocation se décline en deux modèles : le modèle de Carpet et le modèle de Barrel-Stave.

Figure 2. Mécanismes d’entrée dans la cellule. Deux modes d’entrée des molécules dans la cellule existent : l’endocytose et la translocation. L’endocytose regroupe la macropinocytose, la phagocytose, l’endocytose dépendante de la clathrine, l’endocytose dépendante de la cavéoline et l’endocytose indépendante de la clathrine et de la cavéoline. La translocation se décline en deux modèles : le modèle de Carpet et le modèle de Barrel-Stave.

L’atout majeur des CPP consiste à pouvoir transporter des cargos qui, sans eux, ne pourraient pas accéder aux compartiments intracellulaires de la cellule (endosomes, noyau et cytoplasme). Les CPP peuvent être couplés à des cargos de natures très diverses. À titre d’exemple, les CPP ont permis avec succès un transport intracellulaire efficace de : peptides, protéines, acides nucléiques (oligonucléotides, ADNc, ARN, siARN, PNA [peptide nucléique acide]), fluorochromes, nanoparticules, agents de contraste pour l’imagerie à résonance magnétique, et drogues [ 22]. Le couplage des CPP avec les cargos peut se faire de manière covalente ou non afin de permettre une distribution des molécules d’intérêt dans les cellules. La Figure 3 illustre différentes méthodes de couplage de ces peptides aux cargos. Nous illustrons ci-dessous quelques applications à visée thérapeutique ayant un potentiel de développement clinique.

Figure 3. Les différents types de couplage des CPP aux cargos à internaliser. Les cargos peuvent être fixés aux CPP de façon non covalente ou par réaction chimique via un linker, sauf dans le cas du pont disulfure.

Figure 3. Les différents types de couplage des CPP aux cargos à internaliser. Les cargos peuvent être fixés aux CPP de façon non covalente ou par réaction chimique via un linker, sauf dans le cas du pont disulfure.