Archives Internationales de Physiologie, de Biochimie et de Biophysique, 1992, 100, A27-A40

A27

Expose specialis6

MCcanismes cellulaires de la contraction du muscle lisse bronchique Roger MARTHAN

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

Laboratoire de Physiologie, Faculte de Mkdecine Victor Pachon, Universitk de Bordeaux 11, I46 rue LPo Saignat, 33076 Bordeaux Cedex

SOMMAIRE

bronchique est encore incompletement connu. Elle pourrait Ctre un determinant de la distribution inIntroduction trapulmonaire de la ventilation, du travail ventilatoire I. ContrGle du muscle lisse des voies aCriennes par les ainsi que la valeur de la pression alveolaire et par conmessagers extracellulaires sequent de la distribution intrapulmonaire de la perI. 1 . Neurotransmetteurs fusion (OTIS, 1983). Elle pourrait aussi jouer un r61e 1.2. Mediateurs dans la protection du parenchyme pulmonaire contre 11. Transduction membranaire des messages exI’inhalation de substances nocives. En effet, la diminutracellulaires tion pharmacologique au long cours de la rkactivite 11.1. Prottine G bronchique (par exemple chez les asthmatiques traites 11.2. Couplage tlectromkcanique en continu par des bronchodilatateurs bCta 2 mimeti11.2.1. Canaux ioniques ques) favoriserait I’installation d’une inflammation des 11.2.2. Rale du couplage Clectromkcanique voies akriennes (PAGE,1991). La physiopathologie de dans la transduction membranaire la reactivitk bronchique est paradoxalement mieux condes messages extracellulaires nue meme si le mecanisme ou la sequence des 11.2.3. Canaux calciques actives par des mkcanismes responsables de l’hyperreactivite bronchirecepteurs que ne sont pas encore complktement Clucides 11.3. Couplage chimiomecanique (phar(LOCKHART, 1989). macomecanique) C’est la relation entre muscle lisse des voies aerien11.3.1. Systkme des phosphoinositides nes et hyperreactivite bronchique qui a stimule la 11.3.2. Mktabolisme des phosphoinositides recherche dans le domaine des mecanismes cellulaires dans le muscle bronchique de la contraction. Ainsi, en plus des techniques classi11.4. Concentration calcique intracellulaire ques d’ktude de la physiologie et la pharmacologie des 111. Fonctionnement des ClCments contractiles organes isoles, les methodes de dissociation et culture 111.1. Proteines contractiles cellulaires ont permis d’appliquer les techniques 111.2. Phosphorylation de la myosine rkcentes de l’electrophysiologie (patch-clamp) 111.3. Composante maintenue de la contraction (KOTLMOFF, 1988; MARTHANet af., 1988)’ d’imagerie 111.4. Interaction entre seconds messagers 8z KOTLIKOFF, 1991; cellulaire de fluorescence (MURRAY Conclusion et perspectives MATTOLIet af., 1991) et de biologie moleculaire Bibliographie (VENTERet af., 1989). Cependant, encore aujourd’hui, les connaissances dans le domaine de la physiologie et INTRODUCTION de la physiopathologie cellulaire de ce muscle restent en retard sur celles du muscle squelettique, du coeur Le muscle lisse des voies aeriennes est reparti tout ou d’autres muscles lisses d’abord experimental plus le long de l’arbre tracheobronchique depuis la trachie aise mais dont il differe cependant considerablement et af., 1986; jusqu’aux bronchioles terminales (MORENO (KIRKPATRICK, 1981). STEPHENS,1987). I1 est I’un des effecteurs principaux Trois aspects des mecanismes cellulaires de la conde la reactivite bronchique c’est-a-dire de la capacite traction du muscle lisse des voies ahiennes seront endes voies aeriennes de reduire leur diamktre en reponse visages : le contrale par les messagers extracellulaires, a la stimulation par des agents physiques, chimiques et a/., 1980; WOOLCOCK la transduction membranaire du signal extracellulaire et pharmacologiques (BOUSHEY et le fonctionnement des ClCments contractiles. De d af., 1984). In vivo, la commande du muscle lisse des faqon genkrale, I’accent sera mis sur les donnees acvoies akriennes est assurte, pour I’essentiel, par le quises sur le muscle lisse humain provenant de bronsystkme nerveux vegetatif e t donc par des ches de diametre inferieur a 5 mm c’est-a-dire a partir neurotransmetteurs soumis a une neuromodulation de la 3eme/&me generation bronchique du fait de I’im(JAMMES, 1989). Le rale physiologique de la reactivite

A28

R. MARTHAN

TABLEAU I - Principaux messagers extracellulaires qui contrBlent la contraction du muscle lisse des voies aeriennes par interaction avec des rtcepteurs spkcifiques prtsents sur la membrane cellulaire musculaire (voir texte)

Newotransmetteurs

Messager extracellulaire

RCcepteur membranaire musculaire

Effets sur le muscle lisse des voies aeriennes

Acetylcholine Adrenaline VIP, PHI, PHM Tachykinines : SP

M3 Btta 2 Rtcepteurs sptcifiques NK 1 NK2 RCcepteur spCcifique

Contraction Relaxation Relaxation Contraction Contraction Contraction

H1

Contraction

Rtcepteurs sptcifique ? Rtcepteur spicifique ? RCcepteur sptcifique ? Rtcepteurs sptcifiques ? RCcepteurs sptcifiques RCcepteur spkcifique

Contraction Contraction Contraction Relaxation Contraction Contraction Relaxation

NKA CGRP ~

Mediateurs

~

Histamine Eicosanoides : Prostaglandines : D2 F2 alpha

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

TxA E2/I2 Leucotritnes Endothtline EpDRF (?)

plication plus importante de ces bronches dans la physiologie et physiopathologie de la reactivite bronchique humaine (HOGGet al., 1968).

I. ContrBle du muscle lisse des voies airiennes par les messagers extracellulaires Deux types de messagers extracellulaires contrblent la contraction du muscle lisse bronchique grlce a une interaction avec des recepteurs specifiques presents sur la membrane cellulaire musculaire : les neurotransmetteurs du systeme nerveux autonome et les mediateurs essentiellement produits par les cellules inflammatoires (Tableau I).

I. 1. Neutrotransmetteurs L’innervation autonome du muscle lisse des voies aeriennes a fait l’objet d’une mise au point rkcente (JAMMES,1989). Ce contrale autonome ne se fait pas simplement a partir des systkmes adrenergique et cholinergiquemais tgalement a partir du 36me systkme non adrknergique non cholinergique (NANC). (BARNES, 1986; LEFF,1988). Ce 3tme systkme est en fait constitue de deux entitis distinctes tant du point de vue neurophysiologique que fonctionnel. Le syst&me NANC vagal “moteur” libere des neuropeptides qui ont une action relaxante sur le muscle lisse des voies aeriennes. Un autre systeme qui libere des neuropeptides de la famille des tachykinines est constitue par des fibres amyeliniques sensitives. Ce systkme a pour but final la neurotransmission d’informationsperiphkriques mais a un r61e “moteur” (excitateur) local sur le muscle lisse des voies akriennes lorsque l’exocytose des neuropeptides (tachykinines) se fait au niveau des dendrites des neurones sensitifs vagaux (reflexe d’axone). L’innervation cholinergique constitue la commande bronchoconstrictrice principale (GABELLA,1987). L’ac~tylcholinecontracte le muscle bronchique par interaction avec des recepteurs muscariniques dont cinq sous-types (Ml-MS) ont CtC clones (VENTERet al., 1989). C’est le sous-type M3 qui est present sur la membrane des cellules musculaires lisses bronchiques humaines (ROFFEL et al., 1990).

(?I

L’innervation adrtnergique directe du muscle bronchique est pauvre chez l’homme (LAITINEN et al., 1985) ce qui contraste avec la densite des beta-rkcepteurs presents dans le parenchyme. La membrane cellulaire du muscle bronchique humain presente exclusivement et al., 1985) dont l’affinite le recepteur beta-2 (CASTAIRS pour la neurohormone adrenaline est plus grande que pour le neurotransmetteur noradrenaline, ce qui est en accord avec le fait que l’innervation adrenergique est pauvre. L’innervation non adrtnergique non cholinergique contrble la contraction du muscle lisse tracheobronchique gr5ce a I’action de neuropeptides qui peuvent &tre classes en deux categories : (a) le VIP (vasoactive intestinal peptide) et ses derivCs (PHI : peptide histidine isoleucine, PHM : peptide histidine methionine et PHV-42, derive du PHI) pourraient &re les neurotransmetteurs de la composante inhibitrice du NANC (PALMERet al., 1986) par action sur un recepteur membranaire musculaire specifique (CASTAIRS & BARNES,1986)(b) les tachykinines et le CGRP (calcitonine gene related peptide), libbees par les terminaisons nerveuses sensitives des fibres C bronchiques (SOLWAY& LEFF, 1991), pourraient &re les neurotransmetteurs de la composante activatrice du NANC. Les tachykinines constituent une famille de peptides inflammatoires qui ont la m&mesequence Cet al., terminale et sont codees par deux genes (HELKE 1990). Seulement deux des tachykinines : la substance P et la neurokinine A (NKA), d’ailleurs codkes par le meme gene (gene PPT I preprotachykinine) contractent le muscle lisse bronchique humain par action sur les recepteurs dCnommCs respectivement NK1 et NK2 et al., 1989). Le CGRP (code par un gene dif(NALINE ferent de PPT) est colocalisCavec les tachykinines dans & SUNDLER, 1987) et les neurones sensitifs (UDDMAN contracte le muscle bronchique humain (PALMERet al., 1987) par action sur deux recepteurs (SOLWAY & LEFF, 1991). 1.2. Mkdiateurs Le muscle lisse des voies atriennes posskde &galement des recepteurs membranaires specifiques de

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

MECANISMES CELLULAIRES DE LA CONTRACTION DU MUSCLE LISSE BRGNCIIIQUE

mediateurs essentiellement libkres par les cellules inflammatoires. I1 s’agit de mediateurs ubiquitaires dont I’action sur le muscle lisse des voies aeriennes ne s’exprime que s’ils sont libires localement en quantite suffisante. L’histamine contracte le muscle bronchique par action sur le recepteur histaminergique de type HI (RAFFESTIN et al., 1985). Les eicosanoldes derives du mktabolisme de I’acide arachidonique forme a partir des phospholipides membranaires par action de la phospholipase A2 sont synthetisis “de novo” lors de I’excitation cellulaire a la difference des mtdiateurs prkformes comme l’histamine ou les neurotransmetteurs. Beaucoup de ces Cicosanoides, aussi bien ceux de la famille des prostaglandines que ceux de la famille des leucotriknes, posdderaient des recepteurs specifiques sur la membrane du muscle bronchique (BARNES,1987). Les prostaglandines PGD2, PGF2 alpha et le thromboxane A2 contractent la bronche humaine alors que PGE2 et PGI2 ont peu d’effet contractant ou seraient relaxantes el af., 1986). Pour les leucotrienes, le (HAYE-LEGRAND muscle lisse bronchique humain se contracterait plus sous I’action de LTD4 que LTC4 ou LTE4 (BARNES, 1987). I1 n’est pas silr que d’autres mediateurs inflammatoires comme I’adenosine, le paf-acether, la bradykinine, les radicaux superoxides contr8lent directement le muscle bronchique grace a l’existence de rdcepteurs specifiques au moins chez I’homme (BARNES, 1987). Enfin, des mediateurs paracrines, notamment produits par les cellules de I’epithelium bronchique, peuvent agir directement sur des recepteurs specifiques presents sur la membrane du muscle bronchique. C’est le cas de I’endothkline, peptide dont il existe trois types, qui est liberee par l’epithtlium bronchique humain et qui contracte le muscle bronchique pour des concentrations de I’ordre du nanomolaire (MCKAYet al., 1991). L’existence et la nature d’un facteur relaxant derive de I’epithtlium (Ep DRF) pouvant agir sur un rkcepteur musculaire specifique restent encore controversees dans les bronches humaines. 11. Transduction membranaire du message ex-

tracellulaire

La transduction membranaire du message extracellulaire recouvre l’ensemble des phknomknes qui permettent de “traduire” l’information extracellulaire (interaction messager-rkcepteur) en information intracellulaire (formation ou augmentation de concentration du second messager). Dans le muscle lisse des voies aCriennes, comme dans les autres cellules musculaires striees, cardiaques ou lisses, le second messager est I’ion calcium. C’est la concentration en calcium libre cytoplasmique qui contr8le le fonctionnement de la machinerie contractile. En effet, les expkriences sur fibres musculaires lisses pelees chimiquement (SAVINEAU et al., 1988), c’est-a-dire sur des prepara-

A29

tions musculaires dont les membranes cellulaires ont ete permeabilisees aux ions gr2ce a des detergents ou des tcxines, montrent que I’augmentation de la concentration calcique au voisinage immediat de l’appareil M, contracte le contractile depuis lo-’ M jusqu’a muscle de faCon concentration-dependante jusqu’a l’amplitude maximale de la contraction de la fibre intacte. Ce resultat a ete retrouve pour des faisceaux de muscle bronchique humain peles chimiquement & MARTHAN, rksultats non publib). En fait, (SAVINEAU le contr6le de la machinerie contractile par I’ion calcium ne se fait pas par un simple mecanisme de tout ou rien mais fait intervenir des etapes de contr6le intermediaire ainsi que d’autres seconds messagers que l’ion calcium qui seront discutes dans le chapitre suivant. Seuls les mkcanismes de couplage entre messagers extracellulaires et augmentation de la concentration en calcium libre cytoplasmique seront presentes ici. Ce couplage peut etre soit direct par influx de calcium extracellulaire, soit indirect par mise en jeu d’un second messager intermediaire qui libere le calcium stock6 dans les compartiments intracellulaires. Classiquement, on distingue deux mecanismes de couplage excitationcontraction. En effet, dans beaucoup de muscles lisses, un potentiel d’action precede la contraction. Ce potentie1 d’action est de nature calcique, c’est-a-dire lie a I’influx de Caz+ extracellulaire dans les cellules. Ce couplage entre variation du potentiel de membrane et contraction musculaire est appele couplage Clectromkcanique. Cependant, lorsque des cellules musculaires lisses sont completement dipolarisees, I’application d’un agoniste peut egalement entrainer une contraction qui est alors independante d’une variation du potentiel de membrane. Ce couplage est alors ap& SOMLYO,1968) ou pel6 pharmacomecanique (SOMLYO plus exactement chimiomecanique (1*). Cette classification est redevenue d’actualite depuis qu’il a it6 mis en evidence que la premiere etape de la transduction membranaire du message extracellulaire (I’activation des proteines G) est probablement commune au couplage tlectro- et chimiomecanique dans le muscle bronchique comme dans d’autres cellules excitables (COBURN & BARON,1990). II.1. Protkines G Les proteines G qui se lient aux nucleotides de la classe des guanines, GTP et GDP sont impliquees dans la transduction des messages extracellulaires (Fig. 1). Ce sont des heterotrimeres formes des sous-unites alpha, beta et gamma. La liaison du messager extracellulaire a son recepteur entraine la substitution du GDP lie a la sous-unite alpha de la proteine G par du GTP. La proteine G se dissocie alors en deux sousunites aIpha et beta-gamma. La sous-unite alpha fixant le GTP active I’effecteur approprie (GILMAN,1987) qui peut Ctre une enzyme dans le cadre du couplage et al., 1989) ou un canal chimiomecanique (KITAZAWA ionique dans le cadre du couplage electromkcanique (YATANIet al., 1988). I1 est probable que les prottines G constituent le premier niveau de transduction de I’in-

(1*) L’appelation pharmacomecanique fait reference a des substances ou des methodes pharmacologiques qui n’ont souvent aucun r61e physiologique. Le terme habitue1 de couplage pharmacomecanique devrait @trerestreint a l’utilisation de substances pharmacologiques (medicaments) intervenant dans ce couplage.

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

A30

R. MARTHAN

formation dans la membrane cellulaire du muscle bronchique bien que la caractkrisation des ces protkines dans ce muscle soit encore trks incomplkte (COBURN& BARON,1990). I1 a cependant CtC montrt qu’un analogue stable non-hydrolysable du GTP, le GTP gamma S active une enzyme de la membrane cellulaire du muscle bronchique impliquee dans le couplage et al., 1989; ~ ~ A T T O LetI al., chimiomkcanique(MURRAY 1990; LEURS et al., 1991). D’autre part, l’inhibition du couplage chimiomkcanique par augmentation d’un autre second messager, I’AMPc, fait tgalement intervenir une autre protkine G sensible a la toxine pertussis dans le muscle lisse des voies aeriennes (SANKARY et al., 1988). Ces resultats suggkrent qu’au moins deux des quatre f d e s des proteines G identifiees, les soustypes Gs et Gi, respectivement insensible et sensible a la toxine pertussis, sont impliques dans la transduction membranaire musculaire bronchique des signaux extracellulaires.

A

M.E

v Membrane Cellulaire GDP‘

B M E

r J

Activation d’un canal ionique (couplage electromecanique)

GTP

P .E

FIGURE 1. - Proteine G et transductiondes messages extracellulaires. A : En I’absence d’interaction messager extracellulaire (M.E.)rtcepteur (R), la prottine G (G) formte de 3 sous-unitts (alpha, beta, gamma) fixe le GDP (guanosine diphosphate). B : Lors de I’interactionM.E.-R., le GDP est substitut par le GTP (guanosine triphosphate) et la prottine G se dissocie en sous-unit6 alpha et en sous-unit6 bh-gamma. La sous-unit6 alpha f i a t le GTP active I’effecteur approprik :canal ionique dam le cadre du couplage Clectromtcanique ou enzyme (E) dans le cadre du couplage chimiomkcanique.

11.2. Couplage dlectromkcanique Dew types de canaux ioniques (calcique et potassique) dont l’ouverture est contralee par une variation du potentiel de membrane ont ete identifies dans le

muscle bronchique (Fig. 2). Les caractkristiques electrophysiologiques de fonctionnement de ces canaux sont maintenant mieux connues (KOTLMOFF, 1988; KOTLIKOFF, 1990; MARTHAN et al., 1989; WORLEY & KOTLIKOFF, 1990) ce qui permet d’envisager globalement le r8le du couplage electromecanique. 11.2.1. Canaux ioniques I1 n’existe qu’un seul type de canal calcique potentiel-dependant dans la membrane plasmique des cellules musculaires lisses des voies akriennes chez et al., 1989a) ou chez le chien l’homme (MARTHAN (KOTLIKOFF, 1988)(Fig. 2A). La valeur seuil d’ouverture du canal est d’environ -30 a -20mV et l’amplitude du courant est maximale lorsque le potentiel de membrane atteint + 10 a + 20 mV. La conductance de ce canal est d’environ 25 pS (WORLEY& KOTLKOFF, 1990) et l’amplitude du courant est modifiee par les dihydropyridines (modulateur des canaux calciques potentiel-dependants). Ces resultats suggkrent que ce canal calcique est du type L (long-lasting)(BEAN, 1989). Plusieurs types de canaux potassiques sont presents dans la membrane plasmique des cellules musculaires lisses des voies aeriennes. La depolarisation membranaire active un courant potassique sortant (“delayed rectifier”) qui tend a hyperpolariser la membrane ou du moins a limiter la depolarisation. Ce courant de rectification sortant retard6 est potentiel-dependant (Fig. 2B). I1 s’observe aussi bien sur le muscle lisse des voies akriennes animales (KIRJCPATRICK, 1981; KOTLIKOFF, 1987) que chez l’homme (MARTHAN 1990; STEHPENS, et al., 1989a). L’injection d’un courant depolarisant dans ces cellules musculaires lisses n’entraine qu’une depolarisation trks limitCe insuffisante pour dkclencher un potentiel d’action (KA”AN et al., 1983) du fait de la mise en jeu de ce courant de rectification. A ces canaux potassiques potentiel-dependants s’ajoutent d’autres canaux potassiques calcium-dependantsactives par l’augmentation de la concentration calcique intracellulaire notamment like au relargage du calcium des compartiments intracellulaires au cours de l’interac1990; tion agoniste-recepteur (voir 11.3 .)(KOTLIKOFF, MARTHAN et al. 1989a). Ces canaux potassiques actives par le calcium ont une conductance importante d’environ 266 pS (Mc CA” & WELSH,1986). Enfin des arguments indirects suggitrent que des canaux potassiques actives par I’ATP pourraient exister dans le muscle lisse bronchique puisqu’un “ouvreur” de ces canaux, le lemakalim (substance du groupe des benzopyranes), relaxe le muscle lisse bronchique humain (BLACKet al., 1990). 11.2.2. R81e du couplage Clectromecaniquedans la transduction membranaire des messages extracellulaires Les techniques experimentales permettant de quantifier avec precision le r81e du couplage electromecanique dans la contraction des muscles lisses commencent seulernent a Ctre mises au point. I1 s’agit en effet d’associer la mesure des courants ioniques (electrophysiologie) a celle de la variation de la concentration en calcium libre cytoplasmique (sonde fluorescente). L’obtention de telles informations au cours de la contraction musculaire lisse bronchique humaine induite par les diffhents messagers ex-

A3 1

MkANISMES CELLULAIRES DE LA CONTRACTION DU MUSCLE LISSE BRONCHIQUE

B

A SOOPAL

C Potentiel de membrane (mV)

50ms

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

-25

-

PS

4 I I

++ +

?

I I

-60

-

I

PR

I

FIGURE 2. - Courants ioniques potentiel-dependants dans la cellule musculaire lisse bronchique humaine isolee etudies en patch-clamp en configuration cellule entiere. A : Courant entrant induit par I’application pendant 300 ms d’un echelon de potentiel de 70 mV I partir d’un potentiel maintenu de -60 mV. Ce courant est de nature calcique car il est bloqut par l’ion cobalt, antagoniste inorganique des canaux calciques (0). B : Courants sortants de nature potassique induits par l’application pendant 300 ms d’tchelons de potentiel supkrieurs a 70 mV a partir d’un potentiel maintenu de -60 mV apres blocage du courant entrant par I’ion cobalt (O)(d’aprts MARTHANet al., 1989a). C : RBle du couplage Clectromecanique. La valeur du potentiel seuil (PS) d’activation des canaux calciques est haute par rapport a celle du potentiel de repos (PR). Les conditions Clectrophysiologiques d’activation de ces canaux sont difficiles a remplir du fait d u fort courant de rectification potassique qui stabilise le potentiel de repos.

tracellulaires est un des objectifs de la recherche dans ce domaine. Pour I’instant, le r81e du couplage electromecanique peut &treestime a partir des donnees experimentales suivantes : (a) la depolarisation dans le muscle lisse bronchique est toujours t r b IimitCe du fait du fort courant de rectification potassique; (b) la valeur du seuil de potentiel d’ouverture des canaux calciques est haute (-25 mV) par rapport a celle du potentiel de repos (-60 mV); (c) aucun canal ionique a seuil bas (proche du potentiel de repos) dont I’activation pourrait depolariser la membrane cellulaire du muscle bronchique jusqu’a la valeur seuil d’ouverture du canal calcique potentiel dependant (e.g. canal sodique, calcique de type T (transient), canal chlore) n’a ttC mis en Cvidence sur cette cellule. Ainsi, le potentiel de membrane reste stable car le courant de rectification potassique empCche le dCclenchement d’un potentiel d’action. Les conditions klectrophysiologiques d’activation des canaux calciques (valeur seuil d’ouverture haute) sont difficiles A remplir et donc le blocage de ces canaux par les antagonistes calciques a peu d’effet dans de nombreuses formes de bronchospasme, ce qui suggere que le couplage Clectromecanique joue un r81e mineur (Fig. 2C). Cependant, ce type de couplage peut Ctre mis en jeu par certains messagers extracellulaires physiologiques comme l’histamine (MARTHAN et al., 1987b). D’autre part,

il est possible que le r81e de ce couplage soit different en pathologie puisque certaines formes de bronchoconstriction chez I’asthmatique sont bloquees par les antagonistes calciques (MARTHAN & WOOLCOOK, 1989b; PELLEGRINO et al., 1991). Cet effet pourrait Ctre lie a une inhibition des courants potassiques (Sms et al., 1988) mais cette hypothese reste a verifier experimentalement. 11.2.3. Canaux calciques actives par des recepteurs I1 existe, dam les muscles lisses, en plus des canaux calciques potentiel-dependants modulables par des agonistes (CLAPPet al., 1987), une autre categorie de canaux calciques dont l’ouverture est, elle, commandee par I’interaction agoniste-recepteur (ROC : ReceptorOperated-Channel)(BoLToN, 1979). Strict0 sensu, I’ouverture des ROC n’est pas contr81Ce par une variation du potentiel de membrane. Cependant le debit d’ions Ca2+dans ces canaux lorsqu’ils sont ouverts (a) depend du potentiel de membrane qui dCtermine la valeur de la force Clectromotrice des ions Caz+;(b) peut entrainer une depolarisation membranaire. C’est pour ces raisons qu’ils sont parfois inclus dans les mecanismes du couplage electromkanique (COBURN & BARON,1990). Les ROC ont i t 6 mis en Cvidence dans le muscle lisse bronchique humain tres rkcemment gr2ce a la technique de mesure de la con-

A32

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

centration calcique intracellulaire par sonde fluorescente (MURRAY & KOTLIKOW, 1991). Ces canaux correspondent bien a des ROC car (a) actives par l’histamine, par exemple, ils permettent un influx de calcium extracellulaire qui dkpend du gradient klectrochimique aux ions Ca2+;(b) ils ne sont pas ouverts par la depolarisation membranaire et ne sont pas bloquCs par les antagonistes des canaux calciques potentieldependants. 11s interviennent au cours de la composante secondaire (maintenue) de la contraction induite par les agonistes pour maintenir la valeur de la concentration calcique intracellulaire 1Cgkrement au-dessus de celle de repos (voir 111).

11.3 Couplage chimiome‘canique (pharmacome‘canique) Le couplage chimiomkcanique recouvre l’ensemble des micanismes qui permettent la transduction du message extracellulaire en augmentation de la concentration calcique cytoplasmique independamment d’une variation du potentiel de membrane. L’augmentation de la concentration calcique cytoplasmique est essentiellement liee a une liberation de calcium partir des compartiments intracellulaires (rkticulum sarcoplasmique) en rapport avec le metabolisme des phosphoinositides membranaires. 11.3.1. Systkme des phosphoinositides En absence de calcium extracellulaire, la stimulation du muscle lisse bronchique humain par l’acetylcholine induit des contractions likes a la libbation du calcium a partir de compartiments intracellulaires (MARTHANet al., 1987a). Le r61e preponderant de ce couplage chimiomkcanique dans la contraction du muscle bronchique constitue une originalit6 de cette structure. En effet, (a) l’amplitude des contractions induites par des agonistes cholinergiques en absence de calcium extracellulaire est peu differente de celle obtenue en presence de calcium extracellulaire (MARTHANet al., 1987b) et (b) une mobilisation massive du calcium extracellulaire par un ionophore induit une contraction dont l’amplitude n’est pas superieure a celle produite par un agoniste cholinergique (MARTHAN et al., 1988a). La transduction membranaire entre messager extracellulaire et liberation du calcium dans le cytoplasme est assez bien connue dans le muscle bronchique et fait intervenir, comme dans d’autres cellules excitables, le metabolisme des phosphoinositides (PI) membranaires. Au sein des phospholipides membranaires, les phosphoinositides prtsentent deux caracteristiques principales : l’inositol porte cinq groupements hydroxyle et peut Etre phosphorylk trois fois pour donner du phosphatidyl inositol-(4,5) diphosphate (IP2), -(1,4,5) triphosphate (IP,) -(1,3,4,5) tetraphosphate (IP,) ainsi que des isomkres de ces composes. L’IP, est le second messager qui libkre le calcium intracellulaire stocke dans les organites intracellulaires (autres que la mitochondrie). L’IP, se fixe sur un rkcepteur couple a un canal calcique et augmente la probabilite d’ouverture de ce canal permettant l’efflux du calcium dans le cytoplasme & WATRAS,1988). (EHRLICH

R. MARTHAN

II.3.2. Mktabolisme des phosphoinositides dans le muscle bronchique Plusieurs arguments indiquent que le mttabolisme des phosphoinositides et la formation d’IP, assurent le couplage entre message extracellulaire et liberation de calcium intracellulaire (Fig. 3) : (a) la stimulation du muscle bronchique par un agoniste cholinergique entraine avec diminution de la masse de PI, une augmentation de celle du diacylglycerol (DAG) respectivement source et metabolite forme au cours de la synthese d’IP, (BARONet al., 1984); (b) le GTP gamma S (analogue des protkines G) active la phospholipase C (PLC) qui permet la phosphorylation de l’IP2en IP, dam le myocyte bronchique isole ( M ~ et Y al., 1989) traduisant que I’activation du metabolisme des phosphoinositides fait intervenir une proteine G (voir 11.1.); (c) I’ll’, libkre le 45Castock6 dans le reticulum sarcoplasmique des cellules musculaires lisses bronchiques humaines en culture (TWORT& VAN BREEMEN, 1989); (d) l’IP3, comme tous les autres seconds messagers, est rapidement mktabolisk puisque la stimulation cholinergique n’entraine qu’une augmentation transitoire de la concentration intracellulaire et al., 1989); (e) il y a une bonne cord’IP, (CHILVERS relation entre la fixation de certains agonistes (e.g. l’histamine) a leur ricepteur membranaire, la contraction musculaire bronchique, et l’hydrolyse des et al., 1986); ( f ) enfin phosphoinositides (GRANDORDY des donnkes, encore preliminaires, suggkrent que beaucoup de messagers extracellulaires du muscle lisse bronchique (neurotransmetteurs y compris ceux du NANC et mkdiateurs comme les leucotriknes, voir I) activent le metabolisme des phosphoinositides confirmant l’importance du couplage chimiomecanique dans la transduction membranaire des messages dans ce muscle. 11.4. Concentration calcique intracellulaire

L’utilisation des sondes fluorescentes qui changent leur longueur d’onde d’emission fluorescente en se combinant avec le calcium libre (e.g. aequorin, fura 2) a montrC que la variation de concentration calcique libre intracellulaire Ca2+iktait biphasique au cours de la stimulation du muscle bronchique par les messagers extracellulaires (Fig. 4). Pour les agoniste physiologiques, l’augmentation initiale rapide et importante de Ca2+i est suivie d’une diminution lente jusqu’a une valeur stable, 1Cgkrement superieure a celle de la cellule non & KOTLIKOFF, stimulke ( ~ ~ A T Tet O al., L I 1991; MURRAY 1991). La valeur du pic initial et du plateau de Caz+i depend du messager extracellulaire. Par exemple, le chlorure de potassium augmente davantage cette valeur que les agonistes cholinergiques m&melorsque la force dkveloppke par le muscle est identique au cours des deux stimulations (TAKUWAet al., 1987). I1 est donc vraisemblable que le type de couplage (qui depend du message extracellulaire) influe sur Ca2+i. Les mkcanismes responsables de l’augmentation de Ca2+i sont nkanmoins assez clairement definis dans le muscle bronchique. Pour les agonistes physiologiques, l’augmentation initiale depend essentiellement d’une liberation de calcium stocke dans les compartiments intracellulaires gr2ce au couplage chimiomkcanique met-

&CANISMES

A33

CELLULAIRES DE LA CONTRACTION DU MUSCLE LISSE BRONCHIQUE

A M.E

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

DAG

B I

2s

h

20 15 10

0 60

0

120

180

300

240

Temps (s)

FIGURE3. - MCtabolisme des phosphoinositides et couplage 700 -

E 9 .-

600 500-

6 400300 200 1

IOOJ I

0

.

,

1

.

,

2

.

3

.

3 temps (min)

9

4

.

8

’

5

1

6

chimiomkcanique dans le muscle lisse des voies abiennes. A : ReprCsentation schCmatique du systtme des phosphoinositides. L’interaction messager extracellulaire (M.E.)-rkepteur (R) dklenche le mhbolisme des phosphoinositides (PI) membranaires par I’intermtdiaire d’une proteine G (G). Ce metabolisme s’accompagne d’une diminution de masse de PI et d’une production de diacylglyckrol (DAG) lors de la formation d’IP, (inositol triphosphate). L’IP, Libkre le calcium stock6 dans le compartiment intracellulaire, ce qui augmente la concentration de calcium Iibre cytoplasmique CaZit. B : La stimulation par un agoniste cholinergique augmente transitoirement la formation d’IP, par rapport A I’absence de stimulation (contrble)(redessinC d’aprb C ~ V E RelSnl., 1989). C : L’IP, libkre de faqon concentration-dkpendantele calcium stock6 dans les compartiments intracellulaires des cellules musculaires bronchiques. Dans les conditions experimentales de cette etude, la liberation de calcium stock6 se traduit par une diminution du contenu intracellulaire en calcium (redessint d’aprb TWORT & VAN BREEMEN, 1989).

FIGURE 4. - Reprbentation schkmatique de la variation de la concentration calcique cytoplasmique (Ca2+),au cours de la stimulation maintenue du muscle lisse des voies akriennes par un messager extracellulaire (M.E.).

A34

R. MARTHAN

a

v

. i

oxE-

h

v)

8 W

LI

0

E a

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

\

0

10

20

30

40

50

60

Temps (min) FIGURE 5. - Evolution temporelle de la force, de la vitesse de raccourcissementet de la phosphorylation de la myosine dans le muscle lisse des voies aCriennes stimult par un agoniste cholinergique. La force dtveloppte (a)augmente de manikre monotone alors que la vitesse de raccourcissement (0) et la phosphorylation de la myosine (0)augmentent initialement puis diminuent. La phosphorylation de la myosine diminue moins vite que la vitesse de raccourcissementet se maintient A une valeur largement suptrieure a celle d’avant stimulation (redessint et at., 1990). d’aprks MERKEL

tant en jeu VIP3. I1 peut s’y ajouter un influx de calcium extracellulaire au travers des canaux potentieldkpendants dont la cinktique d’ouverture est rapide. Le plateau au cours de la stimulation prolongee depend du calcium extracellulaire qui pourrait traverser la membrane au travers des canaux activks par les recepteurs.

In. Fonctionnement des 61Cments contractiles Les connaissances sur cet aspect des mkcanismes cellulaires de la contraction du muscle bronchique sont encore tres incompletes. En effet, bien que les diffkrentes thdories du contrdle de la contraction dans les muscles lisses aient ktk ktudiks experimentdement dans le muscle bronchique, il manque encore beaucoup d’klements pour construire un modele permettant de rendre compte globalement des phknomenes simultanes que l’on peut enregistrer au cours de la contraction bronchique. Ces phknomenes sont le dkveloppement et le maintien de la force associke a des variations biphasiques de Ca2+i,de la phosphorylation de la myosine et de la vitesse de raccourcissement (Fig. 5). De plus, l’aspect knergetique de la contraction bronchique est encore pratiquement inconnu. I1 apparait toutefois certain qu’a la difference du muscle strik dont l’activitk depend ktroitement du mktabolisme oxydatif, le muscle lisse bronchique dkveloppe une contraction lente et

maintenue, quasiment indkpendante de ce type de mktabolisme. III.1. ProtPines contractiles Les protkines qui constituent la machinerie contractile du muscle bronchique sont les m&mesque celles des autres muscles lisses. La myosine (filament epais) est constituke de deux chaines lourdes (200-205 kDa) et quatre chaines Iigkres, deux de 20 kDa (LC20) et deux de 17 kDa (LC17). I1 en existe trois isoformes dans le muscle bronchique hu& SPARROW, 1989). main (MOHAMMAD L’actine constitue un filament fin composk de deux polymkres de 42 kDa enrould en helice autour d’une autre protkine : la tropomyosine. Dew autres protkines qui pourraient jouer un r81e dans la contraction sont associkes au filament fin : la caldesmone et la calponine (POHI,et a!., 1991). 111.2. Phosphorylation de la rnyosine

La phosphorylation rkversible de la myosine constitue une &ape contr61ke prkliminaire au dkveloppement de son activitk ATPasique en prksence d’actine. Cette phosphorylation constitue une originalitk des mkanismes de la contraction des muscles lisses par rapport a celle des muscles squelettiques ou cardiaque ou la prksence d’actine et de Mg2+suffit a dkvelopper l’activitk ATPasique de la myosine (SELLERS et a/., 1981).

&CANISMES

A35

CELLULAIRES DE LA CONTRACTION DU MUSCLE LISSE BRONCHIQUE

B

A

M.E

+

800 -a

-

700

M.E. I I

4 A

I

600.

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

Calmodulinc

500-

G

400-

-

I$.

MLCK Myoslnc

E’ .5

J.

Myodnc PbmphoryKc

1

4

m

300

-

200

-

100-

.

0

1

.

-

1 1 I I

Ponb rtomyodnc h translatbn cycliquc (cycling cross-bridges)

. - . 3 I

.

*

1

2

-

-

4 I I

. 5

.

1

6

temps (mln)

c:

Ponts rctomyoslnc “vtrouill(s“ (latch-bridges)

C

DAC

Composante malntcnuc

FIGURE 6. - Fonctionnement des elements contractiles A : Phosphorylation de la myosine. L’interaction messager extracellulaire (M.E.)-recepteur (R) augmente la concentration en calcium libre cytoplasmique (Ca2+Jet permet sa liaison a la calmoduline. La liaison calcium-calmoduline active la kinase des chaines Iegeres de la myosine (MLCK) qui phosphoryle la myosine. L’activite ATPasique de la myosine phosphorylee permet I’etablissement de ponts actomyosine a translation cyclique (“normally c y c h g cross-bridges”) qui permettent le raccourcissement et la mise en tension du muscle. B : Pont actomyosine “verrouille” (“latch bridges”). Au cours de la stimulation prolongee par un messager extracellulaire (M.E.), I’augmentation initiale transitoire de calcium intracellulaire (Ca”) est suivie d’un plateau a u cours duquel la force est maintenue par constitution de ponts actomyosine verrouillis (“lutch bridges”). C : Composante maintenue de la contraction et proteine kinase C (PKC). Au cours de la stimulation prolongee par un messager extracellulaire (M.E.), le metabolisme des phosphoinositides (PI) produit, outre l’lP3, du diacylglycerol (DAG) qui active la PKC. La PKC pourrait intervenir dans la composante maintenue de la contraction.

Cette phosphorylation a CtC CtudiCe en dCtail dans le & PAUL, 1991). Les muscle tracheal (de LANEROLLE chaines ltgeres de la myosine (LC20) sont phosphorylees au niveau de la serine en 19 grice a une enzyme, la kinase des chaines ICgeres de la myosine (MLCK). L’activitC de cette enzyme est contralie : activee par I’ion calcium apris interaction avec la calciproteine calmoduline et inactivke par phosphorylation grice a une kinase AMPc-dependante. Ainsi, un premier mecanisme de contraction du muscle lisse des

voies adriennes fait intervenir (Fig. 6A)(1) l’augmentation de Caz+i;(2) la liaison Ca2+i-calmoduline;(3) l’activation de la MLCK; (4) la phosphorylation des chaines 1Cgeres de la myosine; ( 5 ) I’hydrolyse de I’ATP par I’ATPase de la myosine phosphorylte combinke avec I’actine (6) l’etablissement de ponts actine-myosine qui s’attachent et se detachent rapidement (“normally cycling cross-bridges”) entrainant le raccourcissement du muscle et la mise en tension. Les arguments en faveur de ce mtcanisme sont les suivants : (a) la

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

A36

phosphorylation de la myosine precede la mise en tension du muscle (MERKEL et al., 1990); (b) il existe une relation concentration-effect entre phosphorylation de la myosine et concentration du messager extracellulaire et al., 1982) similaire a la relation con(de LANEROLLE centration du messager extracellulaire-force contractile de la preparation; (c) en absence de calcium extracellulaire, l’addition de calcium entraine un phosphorylation lente de la myosine qui precede le & STULL, dheloppement de la force (de LANEROLLE 1980). Ce type de reponse cellulaire dans laquelle il y a proportionnalite entre d’une part, les augmentations de la concentration du second messager (Ca2+J et de la phosphorylation de la myosine et, d’autre part, l’intensite de la force developpee, est decrit sous le terme de fonctionnement en modulation d’amplitude.

III.3. Composante maintenue de la contraction Plusieurs faits exptrimentaux demontrent que la phosphorylation des chaines 1Cgeres de la myosine et de la translation cyclique des ponts actomyosine (“normally cycling cross-bridges”) ne sont pas les seuls mecanismes responsables de la contraction du muscle lisse des voies aeriennes. En effet, si la stimulation prolongke du muscle par un messager extracellulaire entraine une reponse tonique maintenue, les augmentations (1) de Ca2+,;(2) de la phosphorylation des chaines legeres de la myosine; (3) de la vitesse de raccourcissement (en rapport avec la vitesse de constitution des ponts actomyosine) ne sont que transitoires (GERTHOETER, 1991). Ce type de reponse cellulaire dans lequel la force de contraction est maintenue alors que la concentration en second messager Ca2+idiminue est decrit sous le terme de fonctionnement en modulation de sensibilite. Les mecanismes qui rendent compte de la contraction maintenue sont encore controverses. Une hypothese qui peut rendre compte du maintien de la force de contraction dans ces conditions fait intervenir la constitution de ponts d’actomyosine differents de ceux a translation cyclique (“normally cycling cross bridges”). Ces pont pourraient Etre attaches en permanence “verrouillks” (‘ ‘latch bridges”) et ne necessiteraient pas une phophorylation prealable de la myosine (Fig. 6B). La constitution de tels ponts expliquerait donc le maintien de la force a un coilt energktique tres faible lorsque Ca2+i,phosphorylation de la myosine et vitesse de raccourcissement diminuent (MURPHY,1989). Cependant, des etudes rtcentes sur le muscle tracheal montrent que la decroissance temporelle de la phosphorylation de la myosine est plus lente que celle de la vitesse de raccourcissement (GERTHOFFER,1991). De plus, au cours de la contraction maintenue, le pourcentage de myosine phosphorylee ne diminue pas jusqu’a la valeur de repos contrairement a ce qui avait ete constate initialement lors de la formulation de l’hypothese des “latch-bridges” (de & PAUL, 1991)(Fig. 5 ) . LANEROLLE Une modification de l’hypothese des “latchbridges” tenant compte de ces donnkes recentes suggere que ces ponts ne constituent pas une forme differente de pont actomyosine mais simplement des ponts dont la vitesse de formation est lente, trts inferieure a celle des “normally cycling cross-bridges” (MURPHY, 1989). HAIet MURPHY(1988) ont propose un modele

R. MARTHAN

ou les deux types de ponts (“cycling” et “latch”) s’etablissent a des vitesses differentes. Ce modele predit qu’un muscle lisse peut maintenir une force de contraction quasi-maximale lorsqu’environ un tiers de la mysosine est phosphorlyiee ce qui est en accord avec les donnees experimentales obtenues sur le muscle vasculaire arteriel. L’existence et la nature des “latch-bridges’’ restant controversees, d’autres hypotheses sont proposees pour expliquer la contraction maintenue. Plusieurs faits experimentaux suggerent que la proteine kinase C (PKC) pourrait Etre une enzyme intracellulaire fondamentale pour le maintien de la force (Fig. 6C) : (a) la PKC est activke de faGon retardee lorsque l’interaction agonisterecepteur declenche le catabolisme des phosphoinositides; en effet, un des metabolites de ces composes, le diacyglycerol (DAG), induit une translocation memet af., branaire et une activation de la PKC (RASMUSSEN 1990); (b) I’activation de la PKC par des esters du phorbol contracte le muscle lisse bronchique humain de el a[., 1991); (c) facon lente et maintenue (MARTHAN les modifications de la phosphorylation des proteines induites par les agonistes muscariniques au cours de la phase maintenue de la contraction tracheale sont similaires a celles observies au cours de la stimulation trachtale par les esters du phorbol (PARK& RAMUSSEN, 1986). Cependant, les mecanismes par lesquels la PKC augmenterait le gain de la machinerie contractile au Ca” (modulation de sensibilite) restent encore tres et al., 1990). discutes (RASMUSSEN Enfin, une hypothese suggkre que les proteines associees au filament fin, caldesmone et calponine, pourraient Etre phosphorylees et agiraient sur la composante maintenue de la contraction, peut-etre en modifiant la sensibilite au Ca2+de I’appareil contractile (GERTHOFFER, 1991). III. 4. Interaction entre seconds messagers Plusieurs interactions entre seconds messagers ont Cte dkrites dans le muscle lisse des voies aeriennes (Fig. 7). Ces interactions expliquent la plasticit6 du contrale intracellulaire de la reponse musculaire bronchique qui parait indispensable pour que cette cellule puisse repondre de maniere adaptee a de tres nombreux messagers extracellulaires (voir I). Ces interactions s’exercent a trois niveaux (a) entre les elements du systeme du second messager Ca2+;(b) entre les systemes des seconds messagers Ca2+et AMPc; (c) sur les effecteurs communs aux deux systemes et notamment la kinase des chaines legeres de la myosine (MLCK). Dans le systeme du second messager Ca2+, l’augmentation intracellulaire de la concentration calcique rCtro-agit de facon negative sur les mecanismes qui l’entretiennent. En effet, l’augmentation de Ca2+i(a) et al., inactive le courant entrant calcique (MARTHAN 1989); (b) active le courant sortant hyperpolarisant ce qui limite l’ouverture des canaux calciques potentieldependant (KOTLIKOFF, 1990); (c) inhibe la liaison de I’IP, a son recepteur sur la membrane du reticulum sarcoplasmique ce qui diminue la liberation du calcium stocke dans ce compartiment intracellulaire (THEIBERT et al., 1987). De plus, l’activation de la PKC au cours du metabolisme des phosphoinositides inhibe de facon retardee, la formation d’IP, (MURRAY et al., 1989).

A31

MECANISMES CELLULAIRES DE LA CONTRACTION DU MUSCLE LISSE BRONCHIQUE

K+

Ca 2+

Ca 2+

R2

RI

\Icinlwatie cellulnire

4

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

I I I I I

+

I I

I f3

Calinoduline

+

I I

+

I

I I I I

I

ComDartiment lntracellulaire

I

I I I

I I I

Contraction maintenue Contract iot i FIGURE 7. - Schema des interactions entre seconds messagers dans la cellule musculaire lisse des voies aeriennes. La stimulation des rkcepteurs des agonistes contracturants ( R l ) peut (a) activer le couplage klectromecanique et ouvrir les canaux calciques (par I’intermediaire d’une prottine G (G) ?) (b)metaboliser les phosphoinositides (PI) pour former de I’inositol triphosphate (IP,) et du diacylglycerol (DAG). L’IP, libere le calcium stocke dans les compartiments intracellulaires ce qui, avec I’influx de calcium, augmente la concentration calcique intracellulaire (Ca2+). La liaison calcium-calmoduline active la kinase des chaines Iegeres de la myosine (MLCK) pour phosphoryler la myosine. L’augmentation de Ca2+ inactive le courant calcique, active le courant potassique responsable de la repolarisation et inhibe la liaison de 1’IP3 a son recepteur du compartiment intracellulaire. Le DAG forme au cours du metabolisme des PI active la protkine kinase C (PKC) impliquee dans la composante maintenue de la contraction. La PKC, par ailleurs, inhibe la formation d’IP,. La stimulation des recepteurs des substances relaxantes (R2) augmente la concentration intracellulaire d’AMPc (par I’intermediaire d’une protkine (G) ce qui (a) inhibe la synthese d’IP, @) inhibe la MLCK et (c) favorise l’efflux de calcium en stimulant la pompe calcium ATPase. Les interactions positives sont representees en traits pleins, les interactions negatives en traits pointillis.

Le second messager AMPc implique dans la relaxation bronchique interagit de rnanihe complexe avec le systeme du second messager Ca2+.Par l’intermediaire de p r o t h e kinase AMPc-dependante, I’ AMPc diminue ou limite I’augmentation de (Ca2+i)par les effets suivants : (a) hyperpolarisation membranaire (HONDA & TOMITA,1987); (b) inhibition de la formation d’IP, (RASMUSSEN et al., 1990); (c) stimulation de l’efflux cellulaire de Ca2+par activation de la pompe Ca2+ATPase (VAN BREEMEN & SAIDA,1989). Un des effecteurs principaux communs a w seconds messagers Ca2+et AMPc est la MLCK. Le complexe Ca2+-calmodulinel’active alors que la proteine kinase AMPc-dependante (PKA) la phosphoryle diminuant ainsi sa sensibilite a l’ion CaZ+(de LANEROLLE & PAUL, 1991). D’autres proteines impliquees dans la contraction du muscle bronchique pourraient avoir une phosphorylation contralee de maniere opposee par Ca2+ et AMPc (RASMUSSEN et al., 1990).

Conclusion et perspectives

Les connaissances dans le domaine des mecanismes cellulaires de la contraction du muscle lisse des voies aeriennes se sont considkrablement enrichies ces dernieres anntes. L’etude des messagers extracellulaires (neurotransmetteurs et mkdiateurs) qui contralent ce muscle et de leur recepteur membranaire specifique a beneficik des apports des techniques de biologie moleculaire. La transduction membranaire de ces messages extracellulaires par les couplages electro- et chirniomecanique a ete analysee en detail gr2ce aux techniques d’etude des cellules isolees. Enfin, m@mesi le contrale du fonctionnernent des proteines contractiles reste controversk, l’application des techniques d’etudes de la mecanique, de I’energetique et de la biochimie au muscle lisse des voies aeriennes confirme expirimentalement I’importance de certains mecanismes cles de ce fonctionnement comme la phosphorylation de la myosine ou l’implication de la

A38

PKC. Certains aspects, notamment en rapport avec l’intkgration temporelle des diffkrents mkcanismes de couplage ou d’interaction des protkines contractiles, nkessitent des etudes complkmentaires. Les techniques expc5rimentales qui permettent d’ktudier simultankment, sur la meme cellule musculaire, plusieurs mkcanismes de la rkponse a une stimulation par un messager extracellulaire sont en plein dkveloppement. La mise au point de ces techniques pour le muscle lisse des voies akriennes devrait, dans un avenir proche, considerablement approfondir les connaissancesdans les domaines de la physiologie et de la physiopathologie cellulaire de ce muscle. Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

RCsum6 Le muscle lisse des voies akriennes est l’un des effecteurs principaux de la rkactivitk bronchique. Les connaissances dans le domaine des mkcanismes cellulaires de la contraction de ce muscle se sont considkrablement enrichies ces dernihres annkes griice a l’utilisation des techniques d’ttude des cellules isolkes. Ainsi, les messagers extracellulaires (neurotransmetteurs, mkdiateurs) et leur rkcepteur membranaire specifique ont ktk analyses en dktail. La transduction membranaire du messager extracellulaire permet la formation (ou l’augmentation de la concentration) du second messager intracellulaire. Dans le muscle lisse bronchique, ce second messager est l’ion calcium. Le messager extracellulaire augmente la concentration de calcium libre cytoplasmique (Caz+i)par l’intermkdiaire d’une part, de mkcanismes qui mettent en jeu les canaux calciques et dkpendent donc du potentiel de membrane (couplage klectromkcanique), et surtout, d’autre part, de mkcanismes indkpendants du potentiel de membrane qui mettent en jeu le mktabolisme des phosphoinositides membranaires (couplage chirniomkanique). Les variations de Ca2+ientrainent le glissement des filaments contractiles, responsable du raccourcissment et de la mise en tension, grace fr des mkcanismes contrblks comme la phosphorylation de la myosine ou le changement de sensibilite au Caz+ de l’appareil contractile. Les techniques experimentales permettant l’etude simultanke de plusieurs mkcanismes de la rkponse cellulaire sont mises au point actuellement sur le muscle lisse des voies akriennes et devraient apporter dans un avenir proche des informations complkmentaires sur la physiologie et la physiopathologie cellulaire de ce muscle.

Mots-cles : couplage excitation-contraction, muscle lisse bronchique, calcium, transduction membranaire, proteines contractiles. Summary Airway smooth muscle is one of the main effector of bronchial reactivity. The understanding of the cellular mechanisms involved in the contraction of this muscle has advanced in the recent past since isolated cells in culture can now be studied. Extracellular messengers (neurotransmettors and mediators) as well as their specific membrane receptors have been analyzed in some details. The membrane transduction of ex-

R. MARTHAN

tracellular messengers brings about the formation (or the increase in the concentration) of the intracellular second messenger which, in airway smooth muscle, is the cytosolic calcium (Ca’+,) via activation of calcium channels which depend on surface membrane potential changes (electromechanical coupling) on the one hand and mainly via mechanisms independent of surface membrane potential changes-so-called the pharmacomechanical coupling- which involves membrane phosphoinositides metabolism. Changes in Ca2+iactivate contractile proteins leading the muscle to shorten and to develop force via several controlled steps such as phosphorylation of myosin or changes in the sensitivity to Caz+of the contractile elements. Experimental techniques that enable to simultaneouslystudy different aspects of the cellular response are being developed in airway smooth muscle and are likely to provide complementary information about the cellular physiology and pathophysiology of this muscle. Key-words : excitation-contraction coupling, airway smooth muscle, calcium, membrane transduction, contractile proteins. Remerciements - HervC GU~NARD et Jean-Pierre SAVINEAU ont relu ce manumit et apportC des critiques constructives. Cette thCmatique du laboratoire est soutenue par des contrats de recherche de I’INSERM (CRE 885013 et 910411) et du Conseil Regional d’Aquitaine (9003007).

Bibliographie BARNES, P.J. (1986) Neural control of human airways in health and disease (State of the art). American Review of Respiratory Disease 134, 1289-1314. BARNES, P.J. (1987) Airway receptors. In : Drug therapy for asthma. Eds J.W. Jenne& S. Murphy. M. Dekker Inc. New York,USA pp. 67-95. BARON,C.B., CUNNINGHAM, M., STRAUSS,J.F. & COBURN,R.F. (1984) Pharmacomechanical coupling in smooth muscle may involve phosphatidyl inositol metabolism. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 81, 6899-6903. BEAN,B.P. (1989) Classes of calcium channels in vertebrate cells. Annual Review of Physiology 51, 367-384. BLACK,J.L., ARMOUR, C.L., JOHNSON, P.R.A.. ALoum, L.A. & BARNES, P.J. (1990) The action of a potassium channel activator BRL 38227 (Iemakalim) on human airway smooth muscle. American Review of Repiratory Disease 142, 1384-1389. BOLTON, T.B. (1979) Mechanism of action of transmitters and other substances on smooth muscle. Physiological Reviews 59, 606-718. BOUSHEY, H.A., HOLTZMAN, M.J., SHELLER,J.R. & NADEL,J.A. (1980) Bronchial hyperreactivity (State of the art). American Review of Respiratory Dkease 121, 389-413. CASTAIRS,J.R. &BARNES,P.J. (1986) Visualization of vasoative in testinal peptide receptors in human and guinea pig lung. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics239,249-255. CASTAIRS, J.R., NIMMO, A.J. & BARNES, P.J. (1985) Autoradiographic visualization of beta adrenoreceptor subtypes in human lung. American Review of Respiratory Diseuse 132, 541-547. CHILVERS, E.R., CIIAIISS, R. A. J., BARNES, P. J. & NAHORSKI, S.R. (1989) Mass change of inositol(l,4,5) triphosphate in trachealis muscle following agonist stimulation. European Journal of Pharmacology 164, 587-590. CLAPP,L.H., VIVAUDOU, M.B., SINGER,J.J. & WALSH,J.V. (1987) Acetylcholine increases voltage-activated Ca current in fresly dissociated smooth muscle cells. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 84, 1092-1096. COBURN,R.F. & BRON,C.B. (1990) Coupling mechanisms in airway smooth muscle. American Journal of Physiology 258, L119-Ll33.

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

Mlk4NISMES CELLULAIRES DE LA CONTRACTION DU MUSCLE LISSE BRONCHIQUE

de LANEROLLE, P. & S ~ LJ.T. , (1980) Myosin phosphorylation during contraction and relaxation of tracheal smooth muscle. Journal of Biological Chemistry 255, 9993-1oooO. de LANEROLLE, P., Comm, J.R., TANENBAUM, M.R. & ALDENSTEIN, R.S. (1982) Myosin phosphorylation, agonist concentration and contraction of tracheal m o o t muscle. Nature 298, 871-872. de LANEROLLE, P. & PAUL.,R.D. (1991) Myosine phosphorylatioddephosphorylation and regulation of airway smooth muscle contractility. American Journal of Physiology 261, Ll-Ll4. EHRLICH,B.E. & WATRAS,J. (1988) Inositol I , 4 , 5 triphosphate activates a channel from smooth muscle sarcoplasmic reticulum. Nature 336, 583-586. GABELLA, G. (1987) Innervation of airway smooth muscle : fine structure. Annual Review of Physiology 49, 583-594. GERTHOFFER, W.T. (1991) Regulation of the contractile element of airway smooth muscle. American Journal of Physiology 261, L 15-L28. GILMAN, A.G. (1987) G proteins : transducers of receptor-operated signals. Annual Review of Biochemistry 56, 61 5-649. GRANDORBY, B.M., Cuss, F.M., SAMPSON,A.S., PALMER,J.B. & BARNES,P.J. (1986) Phosphatidyl inositol response to cholinergic agonists in airway smooth muscle : relationship to contraction and muscarinic receptor occupancy. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 238, 27 1-279. HAI, C.M. & MURPHY,R.A. (1988) Cross-bridges phosphorylation and regulation of latch state in smooth muscle. American Journal of Physiology 254, C99-Cl06. HAYE-LEGRAND, I., CERRINA, J., -STIN, B., LABAT,C., BOULLET, C., BAYOL, A., BENVENISTE, J. & BRINK,C. (1986) Histamine contraction of isolated human airway muscle preparations : role of prostaglandins. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 239, 536-541. HELKE,C. J . , DRAUSE,J.E., MANTW,P.W., COUTURE, R. & BANNON, M.J. (1990) Diversity in mamalian tachykinin peptidergic neurons : multiple peptides, receptors and regulatory mechanisms. Faseb Journal 4, 1606-1615. HOW, J.C., MACKLEM, P.T. & THURBLECK, W.M. (1968) Site and nature of airway obstruction in chronic obstructive lung disease. New England Journal of Medicine 278, 1355-1360. HONDA,K. & TOMITA,T. (1987) Electrical activity in isolated human tracheal muscle. Japanese Journal of Physiology 37, 333-386. JAM ME.^, Y. (1989) Le tonus du muscle lisse trachkobronchique et son contrale reflexe. Archives Internationales de Physiologie et Biochimie 97, A15-A35. -AN, M.S., JAGER,L.P., DANIEL, E.E. & GARFIELD, R.E. (1983) Effect of 4 aminopyridine and tetraethylamonium chloride on the electrical and cable properties of canine tracheal smooth muscle. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 227, 706-715. KIRKPATRICK, C.T. (1981) Tracheobronchial smooth muscle. In : Smooth muscle : an assessment of current knowledge. Eds E. Bulbring, A.F. Brading, A.W. Jones & T. Tomita. E. Arnold, London, England, pp 385-395. KITAZAWA, T., KOBAYASHI, S., H o r n , K., Sohayo, A.V. & Somyo, A.P. (1989) Receptor-coupled permeabilized smooth muscle. Journal of Biological Chemistry 264, 5339-5342. KOTLIKOFF, M.I. (1988) Calcium currents in isolated canine airway smooth muscle cells. American Journal of Physiology 254, C793-C801. KOTLMOFF, M.I. (1990) Potassium currents in canine airway smooth muscle cells. American Journal of Physiology 259, L984-L395. LAITINEN,A,, PARTANEN, M., HERRONEN,A. & LAITINEN,L.A. (1985) Electron microscopic study on the innervation of human lower respiratory tract : evidence of adrenergic nerves. European Journal of Respiratory Disease 67, 209-215. LEE, A.R. (1988) Endogenous regulation of bronchomotor tone (State of the art). American Review of Respiratory Disease 137, 1198-1216. LEURS,B., BAAST,A. & TIMMERMAN, H. (1991) Fluoride is a contractile agent of guinea-pig airway smooth muscle. General Pharmacology 22, 631-363. LOCKHART, A. (1989) Donntes actuelles sur l’hyperreactivitt bronchique non specifique. Revue des Maladies Respiratoires 6, 501-506. Mc CANN,J.D. &WELSH,M.J. (1986) Calcium-activated potassium channels in canine airway smooth muscle. Journal of Physiology 372, 113-127. MARTHAN,R., SAVINEAU,J.P. & MIRONNEAU,J. (1987a) Acetylcholine-induced contraction in human isolated bronchial

A39

smooth muscle : role of an intracellular calcium store. Respiration Physiology 67, 127-135. MARTHAN, R., ARMOUR, C.L., JOHNSON, P.R.A. & BLACK,J.L. (1987b) The calcium channel agonist Bay K8644 enhances the responsiveness of human airway muscle to KCI and histamine but not to carbachol. American Review of Respiratory Disease 135, 185-189. MARTHAN,R., ARMOUR, C.L., JOHNSON,P.R.A. & BLACK,J.L. (1988a) Extracellular calcium and human isolated airway muscle : inophore A23 187 induced contraction. Respiration PhySiOlOgy 71, 157-168. MARTHAN,R., MARTIN, C. & MIRONNEAU,J . (1988b) Dihydropyridine-sensitive calcium channel current in isolated cells from human bronchial smooth muscle. Journal of Physiology 406,83. MARTHAN, R., -TIN, C., &DEE, T. & MIRONNEAU, J. (1989a) Calcium channel currents in isolated smooth muscle cells from human bronchus. Journal of AppliedPhysiologv 66, 1706-1714. MARTHAN, R. & WOOLCOCK, A.J. (1989b) Is a myogenic response involved in deep-inspiration-induced bronchoconstriction in asthmatics. American Review of Respiratory Disease 140, 1354-1358. MARTHAN, R., CREVEL,H., GUENARD,H. & SAVINEAU, J.P. (1991) Effect of phorbol ester on the contractile activity of human sensitized airway smooth muscle. American Review of Respiratory Disease 143, A551. MATTOLI, S., MEZZETTI,M., RIVA,G., ALLEGRA, L. & FASOLI,A. (1990) Specific binding of endothelin on human bronchial smooth muscle cells in culture and secretion of endothelin-like material from bronchial epithelial cells. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology 3, 145-15 1. WTTOU, S., SOLOPERTO, M., MEmm, M. & FASOLI,A. (1991) Mechanisms of calcium mobilization and phosphoinositide hydrolysis in human bronchial smooth muscle by endothelin 1. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology 5, 424-430. Mc KAY. K.O., BLACK,J.L. & ARMOUR, C.L. (1991) The mechanism of action of endothelin in human lung. British Journal of Pharmacology 102, 422-428. MERKEL,L., GERTF~OFFER, W.T. & TORPW, T. J . (1990). Dissociation between myosin phosphorylation and shortening velocity in canine trachea. American Journal of Physiology C524-C532. MOHAMMAD, M.A. & SPARROW,M.P. (1989) The distribution of heavy chain isoforms of myosin in airways smooth muscle from adult and neonate humans. Biochemical Journal 260,421 -426. MORENO, R.H., HOGO,J.C. &PARE,P.D. (1986) Mechanics of airway narrowing. American Review of Respiratory Disease 133, 1171-1180. MURPHY,R.A. (1989) Special topic : contraction in smooth muscle cells. Annual Review of Physiology 51, 275-283. MURRAY, R.K., BENNETT, C.K., FLUHARTY,S.J. &KOTLMOFF, M.1. (1989) Mechanism of phorbol ester inhibition of histamineinduced IP, formation in cultured airway smooth muscle. American Journal of Physiology 257, L209L216. MURRAY, R.K. & KOTLIKOFF,M.I. (1991) Receptor activated calcium influx in human airway smooth muscle. Journal of Physiology 435, 123-144. NALINE,E., DEVILLIER, P., DRAPEAU,G., TOTY,L., BAKDACH, H., REOOLI, D. & ADVENIER,C. (1989) Characterization of neurokinin effects and receptor selectivity in human isolated bronchi. American Review of Respiratory Disease 140,679-686. OTIS,A.B. (1983) A perspective of respiratory mechanics. Journal of Applied Physiology :Respiratory Environmental and Exercise Physiology 54, 1183-1187. PAGE, C.P. (1991) One explanation of the asthma paradox : inhibition of natural antiinflamatory mechanism by beta 2 agonists. Lancet 337, i : 717-720. PALMER,J.B., Cuss, F.M.C. & BARNES, P.J. (1986) VIP and PHM and their role in non-adrenergic inhibitory response in isolated human airways. Journal of Applied Physiology 61, 1322-1328. PALMER,J.B.D., Cuss, F.M.C., MULDERRY, P.K., GHATEI,M.A., SPRWGALL, D.R., CADEUX,A., BLOOM, S.R., POL=, J.M. & BARNES, P.J. (1987) Calcitonin gene-related peptide is localized to human airway nerves and potently constricts human airway smooth muscle. British Journal of Pharmacology 91, 95-101. PARK, S. & RASMUSSEN,H. (1986) Charbachol-induced protein phosphorylation changes in bovine tracheal muscle. Journal of Biological Chemistry 261, 15734-15739.

Archives of Physiology and Biochemistry Downloaded from informahealthcare.com by Mcgill University on 10/27/14 For personal use only.

A40 PELLEGRINO, R., VIOLANTE, B., C m , E. & BRUSASCO, V. (1991) Time-course and calcium dependence of sustained bronchoconstriction induced by deep inhalation in asthma. American Review of Respiratory Disease 144, 1262-1266. Porn, J., WALSH,M.P. & GERTHOFFER, W.T. (1991) Calponin and caldesmon phosphorylation in canine tracheal smooth muscle. Biophysical Journal 59, 58a. RAFFEsm, B., CERIUNA,J., BOULLET, C., LABAT,C., BENVENISTE, J. & BRINK,C. (1985) Response and sensitivity of isolated pulmonary muscle preparations to pharmacological agents. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics233, 186-194. RASMUSSEN,H., KELLEY,G. &DOUGLAS, J.S. (1990) Interactions between Ca’+ and CAMP messenger system in regulation of airway smooth contraction. American Journal of Physiology 258, L279-L288. ROFFEL,A.F., ELZINGA, C.R.S. & ZAAGSMA,J. (1990) Muscarinic M3-receptors mediate contraction of human central and peripheral airway smooth muscle. Pulmonary Pharmacology 3,145. SANKARY,R.M.,JONFS,C.A.,MADISON, J.M.&BRowN, J.K. (1988) Muscarinic cholinergic inhibition of cyclic AMP accumulation in airway smooth muscle : role of a pertusis toxin-sensitive protein. American Review of Respiratory Disease 138, 145-150. SAVLNEAU, J.P., MIRONNEAU, J. & ~ ~ O N N E A UC., (1988) Contractile properties of chemically skinned fibers from pregnant rat myometrium ; existence of an internal Ca-store. Pfliigers Archives 411, 2%-303. SELLERS, J.R., PATO,M.D. & ADELSTEIN, R.S. (1981) Reversible phosphorylation of smooth muscle myosin, heavy meromyosin and platelet myosin. Journal of Biological Chemistry 256, 13137-13142. Sws, S.M., SINGER,J.J. & WALSH, J.V. (1988) Antagonistic adrenergic-muscarinic regulation of M current in smooth muscle cells. Science 239, 190-193. SOLWAY, J. & LEFF,A.R. (1991) Sensory neuropeptides and airway function. Journal of Applied Physiology 71, 2070-2087. SOMLYO, A.V. & SOMLYO, A.P. (1968) Electromechanical and pharmacomechanical coupling in vascular smooth muscle. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 159, 129-145.

R. DdARTHAN

STEPHENS, N.L. (1987) Airway smooth muscle (State of the art). American Review of Respiratory Disease 135, 960-975. TAKUWA, Y., TAKUWA,N. & RASMUSSEN, H. (1987) Measurement of cytoplasmic free Ca2+concentration in bovine tracheal smooth muscle using aequorin. American Journal of Physiology 253, C817-C827. THEIVERT,A.B., SUPPATTAPONE,S., WORLEY, P.E., BARABAN, J.M., MEEK,J.L. & SNYDER,S.H. (1987) Demonstration of inositol 1,3,4,5 tetrakisphosphate receptor binding. Biochemical Biophysical Research Communication 148, 1283-1289. UDDMAN,R. & SUNDER,F. Neuropeptides in the airways : a review. American Review of Respiratory Disease 136, 3-8. TWORT,C.H.C. & VANBREEMEN, C. (1989) Human airway smooth muscle in cell culture :control of the intracellular caicium store. Pulmonary Pharmacology 2, 45-53. VAN BREEMEN, C. & SAIDA,K. (1989) Cellular mechanism regulating Ca2+ in smooth muscle. Annual Review of Physiology 51, 3 15-330. VENTER,J.C., FRASER, C.M., KERLAVAGE,A.R. & BURCKM.A. (1989) Molecular biology of adrenergic and muscarinic cholinergic receptors : a perspective. Biochemistry Pharmacology 38, 1197-1208. WOOLCOCK, A.J., SALOME, C.M. & YAN, K. (1984) The shape of the dose-response curve to histamine in asthmatic and normal subjects. American Review of Respiratory Daease 130, 71-75. WORLEY, J.F. & KOTLKOFF,M.I. (1990) Dihydropyridine-sensitive single calcium channels in airways smooth muscle cells. American Journal of Physiology 259, L468-L480. YATANI,A., CODINA,J., IMOTA,Y.,REEVES,J.P., BRINBAUMER, L. & BROWN,A.W. (1988) A G protein directly regulates mammalian cardiac calcium channels. Science 238, 1288-1292. Roger MARTHAN Universitk de Bordeaux I1 Facultt de MCdecine Victor Pachon Laboratoire de Physiologie 146 rue Lko Saignat 33076 Bordeaux Cedex