LOLFACTION Certificat organes des sens 2006 S ALLOUCHE

L’OLFACTION Certificat « organes des sens » 2006 S. ALLOUCHE

GENERALITES • Définition : l’olfaction c’est la détection de molécules odorantes (substances chimiques) qui sont inhalées (présentes à l’état gazeux) • Olfaction : fonction sensorielle conservée dans évolution • Communication entre un individu et son environnement • Rôle : identification nourriture, membres d’une espèce (mère et nouveau-né, mâle-femelle. . ), prédateurs • Fonction : plaisir (odeur fleurs, nourriture) et alerte (danger chimique)

LOCALISATION ANATOMIQUE • Localisation : dans cavité nasale : épithélium olfactif (petite région ~ 5 cm 2 où ~ 10 millions de neurones olfactifs bipolaires) (taille variable selon espèces) • Les molécules olfactives = composés volatils transportés air dopamine

NERF TRIJUMEAU • Dans épithélium olfactif : il y a autre système nerveux le nerf trijumeau • Nerf V : sensoriel et moteur • Sensibilité tactile, pression, douleur et température dans cavité nasale • ex : inhalation de menthol : sensation de froid mais quand fortes concentrations sensation chaud • Epithelium olfactif + V dans les sensations olfactives - Exemples molécules stimulant V : Isothiocyanate (moutarde) Diallyl sulfide (oignon) Menthol camphre

REGION OLFACTIVE • Epithelium olfactif : neurones avec projections cils (8 -20 / neurone) dans mucus • Cellules olfactives à la base de épithélium : division pour former neurones olfactifs (demi-vie 40 jours); Bulbectomie stimule neurogénèse (via neuropeptide Y par cellules soutien = sustentaculaires) • Mucus : sécrétions aqueuses riches lipides (transport molécules odorantes) par glandes de Bowman • Regroupement 10 -100 axones et connexion dans bulbe olfactif • Convergence vers cellules mitrales : connections = glomerules

NEURONES OLFACTIFS • Neurones olfactifs : sites réception des molécules odorantes et transduction

RECEPTEURS OLFACTIFS • Récepteurs olfactifs : expression sur les cils des neurones olfactifs • Rôle : liaison des molécules odorantes et transduction • Transduction complexe : récepteur = RCPG • Seconds messagers (AMPc, IP 3, NO, GMPc), canaux ioniques signal électrique

MOLECULES OLFACTIVES • Molécules olfactives : • petites molécules, capables de se vaporiser, lipophiles • Agissent à faibles concentrations • + 1000 odeurs distincts Odeur poivre Odeur cerise, amande Odeur urine

MOLECULES OLFACTIVES • Les molécules olfactives n’agissent pas directement sur leurs récepteurs OBP (odorantbinding protein) • OBP = transporteur dans mucus nasal. Autres rôles : filtres (évite saturation récepteurs olfactifs), permet de concentrer les molécules olfactives près récepteurs • Découverte des OBP : les molécules olfactives sont lipophiles et mucus = milieu aqueux hyp: il existe des protéines qui transportent les odeurs à travers mucus sur récepteurs • Découverte 1ère OBP (1982) en utilisant des molécules olfactives radioactives

MOLECULES OLFACTIVES • Les OBP appartiennent à la famille de protéines transporteurs de molécules hydrophobes (RBP) • Il existe différentes isoformes OBP (affinités différentes selon molécules olfactives) • OBP sécrétées par glande nasale latérale humidification air inspiré et OBP piège odeurs • OBP ont rôle opposé : élimination odeur de l’épithélium olfactif et cils

RECEPTEURS OLFACTIFS • Découverte en 1991 par 2 équipes des récepteurs olfactifs ou RO (protéines à 7 domaines TM) • Plusieurs gènes de ces récepteurs : famille de gènes mais expression localisée épithélium olfactif. RO est groupe + important de la famille des RCPG • Chez homme : 350 gènes RO et 560 pseudo-gènes (non fonctionnels par variations qui décale ORF ou arrêt par codon stop). + nombre gènes important + diversité odeurs importante (ex: 3050 gènes chez poissons) • Localisation gènes RO sauf Y et chromosome 20 regroupés en cluster. Sur chromosome 11 : contient 42 % RO • Taille gènes RO : 1 kb et sans intron

LOCALISATION CHROMOSOMIQUE DES RECEPTEURS OLFACTIFS

RECEPTEURS OLFACTIFS

RECEPTEURS OLFACTIFS • Motifs conservés parmi ces RO : IL 1, TM 3, ICL 3, TM 5, 6 et 7 • Pour expliquer diversité odeurs régions hypervariables (TM 3, 4 et 5) qui formeraient « poche de liaison » • Selon études, récepteurs étudiés, molécules olfactives pas mêmes résultats • ex: TM 3 -7 pour octanal • ex : TM 3, 5 et 6 hexanol

RECEPTEURS OLFACTIFS • Dans un neurone olfactif : 1 seul RO est exprimé – Théorie à partir 1 seule étude (44% cellules avec 1 RO et 56 % pas de RO). Jamais plusieurs RO dans 1 même neurone olfactif. • Expression mono-allélique : paternel ou maternel pour éviter expression 2 RO différents • Hyp : analogie avec Tc. R / Bc. R des lymphocytes – réarrangement ADN dans précurseurs des neurones olfactifs sans création nouvelle séquence ni alteration gènes mais restriction d’expression à un seul gène sur un allèle dans un neurone olfactif • Expression localisée des RO: démontrée dans plusieurs espèces (pas étudiée chez homme). Dans épithélium olfactif : 4 zones – 1 gène RO exprimé dans faible nombre de neurones olfactifs regroupés dans 1 des 4 zones • Ces neurones olfactifs avec même RO projetent leurs axones vers 1 ou 2 glomérules du bulbe

RECEPTEURS OLFACTIFS • Le glomérule serait l’unité fonctionnelle d’intégration des informations olfactives provenant des neurones Existence d’une cartographie dans bulbe où intégration spécifique des odeurs

RECEPTEURS OLFACTIFS • Clonage des RO en 1991 et preuve directe que c’était des récepteurs aux odeurs en 1998 • Difficulté d’expression de RO fonctionnels dans système hétérologue car retenus dans RE (possible si ajout en N terminal peptide dérivé R-5 HT) • Groupe Firestein : dans un adénovirus gène pour un RO rat + GFP 1. Introduction de l’adénovirus modifié chez rat et visualisation fluorescence dans épithélium olfactif Electro-olfactogramme : mesure activité électrique des neurones olfactifs quand exposition molécules odorantes (74 testées) 2. • Les gènes codant pour RO sont exprimés dans d’autres tissus que épithélium olfactif : cellules erythroïdes et spermatozoïdes mature (rôle dans chimiotactisme)

RECEPTEURS OLFACTIFS • Reconnaissance des odeurs par récepteurs ? + 1000 odeurs différentes et 350 gènes RO • 1 type RO / neurone mais 1 RO peut reconnaître 1 ou plusieurs odeurs ? • 1 RO peut lier plusieurs molécules olfactives distinctes ou inverse 1 molécule olfactive peut activer plusieurs RO plusieurs glomérules

• Les protéines G : TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF • Implication protéines G suggérée avant clonage RO par effet GTP et analogues + production AMPc • Identification protéines G dans épithélium olfactif par clonage à partir banque ADNc • Gaolf exclusivement exprimée dans épithélium olfactif • Gaolf permet activation AC, PLC ? ? (car pas Gq et production IP 3) • Souris KO Gaolf réduction majeure réponse électrique quand stimulation par odeurs

TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF • L’AMPc • Démo biochimique sur des neurones olfactifs rat de l’augmentation taux AMPc quand stimulation par odeurs (1985, 86) + GTP • Etudes électrophysiologiques : AMPc pourrait déclencher dépolarisation en régulant des canaux ioniques AMPc-dépendant • Rôle seconds messagers pour régulation canaux ioniques : temps de latence / régulation directe des canaux ioniques • Certaines odeurs stimulent AC type III (fruitée, herbe, fleurs) d’autres très peu autre seconds messagers (IP 3 ? ) • Stimulation production AMPc par odeurs sous dépendance du calcium intracellulaire ( Ca 2+ inhibe AC) – Pic en 15 sec puis progressive sur qq minutes retour basal • Réponse sur AMPc biphasique : faibles concentrations odeurs = stimulation et fortes concentrations odeurs = effet moins important

TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF • Régulation du signal AMPc par les PDE (phosphodiestérase) : • hyp : régulation du signal AMPc par RO en activant les PDE • Dans épithélium olfactif, expression de plusieurs PDE dont la PDE 1 C 2 (calcium/calmoduline) explication effet inhibiteur du calcium sur taux AMPc • Lien entre AMPc et dépolarisation neurones olfactifs ? ?

TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF • Canaux ioniques : • Les canaux ioniques sont directement impliqués dans transmission signal électrique dans les neurones olfactifs • Les neurones olfactifs expriment canaux ioniques niveau cils et terminaisons dendritiques • Canaux ioniques régulés par les nucléotides cycliques • Canaux chlore régulés par le calcium

CANAUX IONIQUES AMPc DEPENDANT • Présence dans les cils (peu dans soma) des neurones olfactifs d’une forte densité de canaux à cations régulés par AMPc qui laissent entrer surtout calcium • arguments implication de ces canaux : - En patch-clamp molécule olfactive ouverture canaux identique celle observée sur canaux régulés par AMPc - Souris KO pour ces canaux ont anosmie pour toutes odeurs (électro-olfactogramme)

CANAUX IONIQUES AMPc DEPENDANT • Ces canaux sont composés de 2 sous-unités (Gcn 1 et 2) • Canaux perméables calcium mais aussi sodium et potassium • Régulation de ces canaux par calcium intra et extracellulaire - inhibition quand calcium intracellulaire • En conséquence, AMPc calcium intracellulaire (3ème messager)

CANAUX IONIQUES ACTIVES PAR CALCIUM • Dans cils neurones olfactifs, canaux chlore régulés par calcium • Activés quand concentrations micromolaires de calcium (entrée par canaux AMPc dépendant) • Canaux chlore ouverts sortie de chlore hors neurones • Entrée de calcium + sortie chlore dépolarisation neurones olfactifs • Puis activation des canaux potassiques repolarisation

AUTRES CASCADES DE TRANSDUCTION • Voie des IP 3 : • Rôle bien connu PLC dans SNC pour IP 3 libération calcium à partir stocks intracellulaires et entrée à partir du calcium extracellulaire • Et dans l’olfaction ? • Sur des neurones olfactifs (culture primaire), certaines molécules IP 3 • Place IP 3 dans transduction ? Controversé : électrophysiologie aucun effet IP 3 sur réponse précoce suite à stimulation par molécules olfactives • Quand souris KO pour cascade AMPc pas réponse des neurones olfactifs • Hyp : - AMPc indispensable pour phases initiales dépolarisation -IP 3 impliqué dans d’adaptation cellulaire (modulation réponse) • Rôle IP 3 pas clair

AUTRES CASCADES DE TRANSDUCTION • Voie du GMPc : • GMPc produit dans neurones olfactifs quand stimulation par odeurs mais - / AMPc mais réponse + tardive mais soutenue dans temps hyp : rôle dans désensibilisation • GMPc produit par guanylate cyclase soluble (+ par NO et CO) et récepteur (+ par calcium) • NO produit par NO synthase (uniquement exprimée dans neurones olfactifs lors développement) • CO produit par hème oxygénase lors dégradation hème en biliverdine. Hème oxygènase exprimée dans neurones olfactifs (rat) et stimule à partir GTP production GMPc • Quand inhibition guanylate cyclase solubles pas blocage total augmentation GMPc – Rôle des guanylate cyclase récepteurs • Effets GMPc ? Ouverture canaux ioniques nucléotides cycliques dépendant

RECAPITULATIF

CODAGE ET PERCEPTION DES ODEURS • Dans schéma simple : dans un neurone olfactif 1 type RO AMPc dépolarisation et transmission nerveuse • Comment notre nez interprète la grande variété d’odeur ? • HYP de l’approche combinatoire : - Une odeur peut se fixer et activer différents récepteurs -Les odeurs vont activer des récepteurs = lettre de l’alphabet - Selon les récepteurs activés « phrases » décodées par cerveau (cortex et système limbique pour émotions)

DESENSIBILISATION • Comme la plupart RCPG phénomène de régulation lors stimulation prolongée = désensibilisation • Phosphorylation / Découplage / Internalisation • Dans neurones olfactifs : GRK 3 et beta-arrestine 2 • Quand blocage GRK 3 et beta-arrestine 2 par anticorps neutralisant + importante AMPc et blocage désensibilisation (Idem souris KO GRK 3) • Rôles de PKA / PKC ? ? • Rôle du GMPc dans phénomène d’adaptation et désensibilisation • Site sur olfaction : www. cf. ac. uk/biosi/staff/jacob/teaching/sensory/olfact 1. html