Mélatonine et récepteurs mélatoninergiques


P. Delagrange

Institut de Recherches Internationales SERVIER (I.R.I.S.)


mis à jour le 7 janvier 2000

 



 

1. Introduction 2.3. Récepteurs MT2
1.1. Synthèse de la mélatonine 2.4. Sites MT3
1.2. Régulation de la synthèse de mélatonine 2.5 Sites nucléaires
2. Récepteurs mélatoninergiques  3. Conclusion
2.1. Historique  Références
2.2. Récepteurs mt1

 
 
 

1. Introduction

La mélatonine (5-methoxy N-acétyltrytamine) a été isolée par Lerner en 1958 à partir d'extraits de glandes pinéales. A cette date, la seule activité reconnue pour la mélatonine était sa capacité d'agrégation pigmentaire chez le Xénope, raison pour laquelle cette espèce sera choisie pour cloner le premier récepteur mélatoninergique.

1.1. Synthèse de la mélatonine


La mélatonine est une neurohormone synthétisée pendant la période nocturne à partir de la sérotonine dans la glande pinéale ou épiphyse. La sérotonine, synthétisée dans les pinéalocytes, est acétylée par l'arylalkylamine-N-acétyltransférase (AA-NAT) pour donner la N-acétylsérotonine. Cette dernière est ensuite méthylée par l'hydroxyindole-O-méthyltransférase (HIOMT) pour donner la mélatonine (cf schéma). Ces deux enzymes, toutes deux spécifiques de cette voie de synthèse, présentent des profils d'activité différents.
L'AA-NAT est l'enzyme limitante : elle est soumise à de nombreux mécanismes de régulation transcriptionnelle et/ou post-transcriptionnelle en fonction de l'espèce considérée permettant à l'enzyme d'être active seulement pendant la période d'obscurité. L'activité de la AA-NAT est fortement régulée par l'alternance lumière/obscurité contrairement à l'HIOMT qui présente une activité constitutive tout au long du cycle nycthémère. Chez le rat, une exposition à un flash lumineux pendant la période d'obscurité entraîne une inhibition dans les 15 minutes de l'activité de la AA-NAT. Il en est de même chez l'homme.

1.2. Régulation de la synthèse de mélatonine


Les informations lumineuses qui régulent l'activité de la AA-NAT parviennent à la glande pinéale par une voie polysynaptique. Chez les mammifères, les photorécepteurs de la rétine convertissent la lumière en signaux électriques qui sont transmis aux noyaux suprachiasmatiques principalement via le faisceau rétinohypothalamique. Les noyaux suprachiasmatiques constituent l'horloge interne de l'organisme des mammifères. Les informations lumineuses sont ensuite transmises via le noyau paraventriculaire du thalamus au ganglion cervical supérieur puis dans les fibres noradrénergiques sympathiques post-ganglionnaires à la glande pinéale.
La synthèse de mélatonine est par conséquent principalement contrôlée par la noradrénaline qui va stimuler pendant la période nocturne les récepteurs adrénergiques b1 présents sur les pinéalocytes. Cette stimulation des récepteurs b1 entraîne une augmentation des taux d'AMPc dans les pinéalocytes puis une augmentation de l'activité de la AA-NAT.
Le rythme de mélatonine est donc directement contrôlé par la photopériode et la durée de la synthèse est positivement corrélée à celle de la période d'obscurité. La mélatonine secrétée dans la circulation sanguine transmettra à toutes structures centrales ou périphériques, exprimant des récepteurs ou sites mélatoninergiques, cette information sur la photopériode, permettant ainsi à l'animal une adaptation physiologique aux alternances jour/nuit ou aux saisons.
Chez l'homme comme chez l'animal, les taux plasmatiques nocturnes de mélatonine varient entre 30 et 200 pg/ml avec un pic dans la seconde partie de la nuit. Les profils plasmatiques de mélatonine sont différents d'un individu à l'autre mais stable pour un même sujet.
 
 

Mélatonine, synthèse et régulation


 



2. Récepteurs mélatoninergiques

2.1. Historique

Les premiers sites de liaison à la mélatonine ont été mis en évidence en 1984 grâce à la synthèse d'un radioligand, la 2-[125 I] -iodo-mélatonine qui est toujours utilisée à ce jour dans la majorité des études de déplacement.
Ce ligand a permis de mettre en évidence deux catégories de sites de liaisons appelés ML1 et ML2 qui présentaient respectivement une haute (pM) et une faible (nM) affinité pour la 2-iodo-mélatonine. Le site ML1 avait été caractérisé comme étant couplé à une protéine G car sensible au GTP. Le site ML2 n'était lui pas sensible aux analogues du GTP.
C'est en 1994 que le groupe de Reppert a cloné le premier récepteur mélatoninergique par la technique de clonage par expression à partir de mélanophores de Xénope immortalisés. Deux autres récepteurs, cette fois humains, furent clonés la même année par le même groupe. Ces trois récepteurs correspondant aux sites ML1 furent appelés Mel1A et Mel1B pour les récepteurs humains et Mel1C pour le récepteur de Xénope.
D'un point de vue moléculaire, c'est trois sous-types réceptoriels appartiennent à la famille des récepteurs à sept segments transmembranaires couplés aux protéines G et présentent une homologie de séquence de 60 %. Ces trois récepteurs présentent une même particularité : dans la deuxième boucle intracellulaire, une séquence d'acides aminés (NRY) commune à tous les récepteurs couplés aux protéines G est remplacée par la séquence DRY et dans le septième segment transmembranaire, une séquence NAXXY est remplacée par NPXXY.
Ces deux particularités font que ces trois sous-types réceptoriels mélatoninergiques peuvent être considérés comme une sous-famille dans cette famille des récepteurs couplés aux protéines G.
C'est en 1998 que le comité de Nomenclature de l'Union Internationale de Pharmacologie (IUPHAR) a approuvé une nouvelle nomenclature : mt1 pour le Mel1A, MT2 pour le Mel1B. Le Mel1C, qui n'a pour l'instant pas été mis en évidence chez les mammifères, reste appelé Mel1C. Le site ML2, qui n'a pas encore été cloné, a été nommé MT3. L'abréviation utilisée pour la mélatonine sera MLT. C'est désormais cette nouvelle nomenclature officielle qui doit être utilisée.

2.2. Récepteurs mt1

Les récepteurs mt1 ont été intégralement clonés chez l'homme, le mouton, la souris, le hamster et partiellement chez le rat. Le système de transduction des récepteurs mt1 est principalement lié à une inhibition de l'adényl-cyclase via une protéine Gi. Une autre voie parallèle impliquant toujours une protéine Gi potentialise l'activation de la phospholipase C (Godsen et Reppert, 1997).
La distribution tissulaire des récepteurs mt1 a été réalisée par des techniques d'hybridation in situ et de PCR (Polymerase Chain Reaction) mais aussi pour ce récepteur par immunocytochimie grâce à la synthèse d'un anticorps de ce récepteur.
Des études de polymorphismes ont été réalisées pour les récepteurs mt1 humain et de mouton. Un certain nombre de mutations affectant au plus un acide aminé ont été reportées sans modifications majeures sur l'activité de ce récepteur, tout au moins en ce qui concerne l'affinité pour la mélatonine.
Chez l'homme, au niveau central, les récepteurs mt1 sont présents dans les noyaux suprachiasmatiques, la pars tuberalis de l'hypophyse, le noyau paraventriculaire du thalamus, le cortex cerebelleux, l'hippocampe et le cortex (pariétal, occipital, temporal et frontal). Chez la souris C3H/HeN, la distribution tissulaire est comparable à celle de l'homme.
Au niveau périphérique chez l'homme, les récepteurs mt1 ont été observés dans le rein par immunocytochimie. Chez le rat, les récepteurs mt1 sont présents au niveau de l'artère caudale.
Le nombre de récepteurs mt1 mais aussi MT2, exprimés dans les structures mentionnées ci-dessus, est de l'ordre de la fento-mole par milligramme de protéines, donc très faible comparé à d'autres types réceptoriels. Cette faible densité ne facilite pas, voire ne permet pas dans certains tissus, la mise en évidence des récepteurs mt1, même en utilisant des techniques très sensibles de biologie moléculaire. Ainsi, certaines structures répondent à la mélatonine bien qu'aucun site mélatoninergique n'ait été détecté. Ceci explique aussi peut-être le fait qu'un certain nombre de sites mélatoninergiques observés par autoradiographie n'aient pas été identifiés comme mt1 ou MT2 à moins qu'il s'agisse, pour certains, d'autres sous-types réceptoriels non encore caractérisés.
Le rôle physiologique des récepteurs mt1 n'a pas encore clairement été établi. Trois modèles fonctionnels sont actuellement utilisés dans lesquels la mélatonine est active via les récepteurs mt1 :
  • sur artère caudale de rat isolée, la mélatonine potentialise la vasoconstriction induite par stimulation électrique ou par la noradrénaline,
  • sur culture primaire de cellules de pars tuberalis de mouton, la mélatonine inhibe la production d'AMPc induite par une stimulation à la Forskoline,
  • sur coupe de noyaux suprachiasmatiques de souris, la mélatonine inhibe l'activité neuronale spontanée.

    • Une lignée de souris n'exprimant plus le récepteur mt1 (KO) a été obtenue. La mélatonine chez ces souris n'inhibe plus l'activité neuronale spontanée.
    Il n'existe à ce jour aucun ligand sélectif décrit des récepteurs mt1 vis à vis des MT2.
    La 2-[125 I] -iodomélatonine (Kd » 30 pM) et la [3H] -melatonine (Kd = 129 pM) sont les seuls radioligands utilisés. Les principaux agonistes non sélectifs utilisés dans les études pharmacologiques sont la 2-iodomélatonine, le S 20098, la 6-chloromélatonine, le GR 196429. Les antagonistes non sélectifs des deux sous-types mt1 et MT2 sont le luzindole, le
    S 20928 et le S 22153.

    2.3. Récepteurs MT2

    Les récepteurs MT2 ont été clonés intégralement chez l'homme et la souris et partiellement chez le rat. Chez le mouton et le hamster, le MT2 ne serait pas exprimé.
    Comme pour les récepteurs mt1, le système de transduction des récepteurs MT2 est principalement lié à une inhibition de l'adényl-cyclase via une protéine Gi. Une autre voie qui modulerait les taux de GMPc a récemment été décrite.
    La distribution tissulaire des récepteurs MT2 n'a fait l'objet que de quelques études. Chez l'homme et la souris, le récepteur MT2 est exprimé dans la rétine et l'hippocampe et probablement dans d'autres structures centrales non identifiées, comme le suggère le signal obtenu sur l'ensemble du cerveau humain.
    Un seul modèle physiologique impliquant les récepteurs MT2 a été décrit. Il s'agit de l'inhibition par la mélatonine de la libération de dopamine dans la rétine de lapin.
    Les récepteurs MT2 pourraient aussi médier l'activité de synchronisation de la mélatonine sur le noyau suprachiasmatique, l'horloge interne de l'organisme. En effet, sur coupes de noyau suprachiasmatique de souris KO mt1, la mélatonine n'inhibe plus l'activité spontanée des neurones du SCN mais elle conserve sa capacité d'avancer le rythme circadien d'activité neuronale. De plus, des études in vivo réalisées chez la souris ont montré que l'avance de phase du rythme circadien d'activité locomotrice par la mélatonine pouvait être antagonisée par un antagoniste sélectif des récepteurs MT2, le 4-P-PDOT.
    Contrairement au récepteur mt1, il existe des ligands sélectifs MT2 décrits comme antagonistes : 4-P-PDOT, 4-P-ADOT, GR 128107, 5-méthoxyluzindole (Dubocovich et al, 1997). Ces composés présentent un ratio de sélectivité mt1/MT2 de 100 à 360. Il n'existe pas d'agonistes sélectifs MT2 et c'est par conséquent les agonistes non sélectifs utilisés pour les récepteurs mt1 qui sont étudiés sur MT2.

    2.4. Sites MT3

    Le site de liaison mélatoninergique MT3 n'a pas encore été purifié et cloné, raison pour laquelle il figure en caractères italiques dans la Nomenclature IUPHAR.
    Il présente des caractéristiques différentes des récepteurs mt1 et MT2. En particulier, les études de déplacement sont réalisées à la température de 4°C probablement en raison des constantes de cinétiques d'association et de dissociation très rapides du ligand.
    Le site MT3 n'est pas couplé à une protéine G et sa voie de transduction passerait par une augmentation de la dégradation des phospoinositides.
    Contrairement aux récepteurs mt1 et MT2 il existe un radioligand sélectif la 2-[125 I] iodo-MCA-NAT qui a permis de rechercher le site dans différentes structures.
    Chez le hamster, le site MT3 a été mis en évidence au niveau central dans l'hippocampe, l'hypothalamus, le thalamus, le cortex frontal et au niveau périphérique dans le rein, le foie, l'intestin et le poumon. Le site MT3 a aussi été mis en évidence dans le cerveau de différentes espèces comme la souris, le rat ou le lapin. Le nombre de sites MT3 est comme pour les récepteurs mt1 et MT2 très faible (de l'ordre de la fentomole/mg de protéines).
    Le profil pharmacologique de ce site est différent de celui des récepteurs mt1 et MT2. En effet, ce site présente une affinité 100 fois plus faible pour la mélatonine (Ki » 60 nM) et une bonne affinité pour N-acétyl-sérotonine (Ki » 30 nM) et la prazosine (Ki » 7 nM) tandis que la sérotonine et des ligands adrénergiques ne se lient pas à ce site.
    Seul le MCA-NAT a été décrit comme sélectif des sites MT3 par rapport aux récepteurs mélatoninergiques mt1 et MT2 ainsi que vis à vis de nombreux autres récepteurs (sérotoninergiques, adrénergiques …).

    2.5. Sites nucléaires

    Des sites de liaison à la mélatonine ont été décrits sur des membranes nucléaires de foie (Hazlerigg et al, 1996) et sur les récepteurs rétinoïques RZRb . Les résultats obtenus sur les récepteurs rétinoïques sont très controversés, n'ayant pu être reproduits.
    La mélatonine est une molécule très lipophyle et par conséquent l'hypothèse de récepteurs mélatoninergiques nucléaires et/ou cytosoliques est probable.
     

    3. Conclusion

    Contrairement à d'autres familles de récepteurs, il est encore impossible aujourd'hui de lier une fonction physiologique ou un comportement à un récepteur spécifique et par conséquent une indication thérapeutique.

    En ce qui concerne la mélatonine, les études cliniques ont confirmé les propriétés chronobiotiques de la mélatonine observées dans différents modèles animaux. Par contre, toutes les autres indications thérapeutiques évoquées pour la mélatonine, (activité antitumorale, anti-ischémique) nécessitent une confirmation par des études contrôlées.

    La découverte de nouveaux ligands mélatoninergiques sélectifs des différents récepteurs mélatoninergiques devraient permettre au cours des prochaines années de caractériser la fonction physiologique de chacun d'entre eux et de nouvelles indications thérapeutiques comme dans le cas de la sérotonine et des ligands sélectifs de ses sous-types réceptoriels.
     

    Références :

  • Delagrange P. Guardiola-Lemaître B. Melatonin, its receptors and relationships with biological rhythms disorders. Clin. Neuropharmacol. 1997 ; 20 : 482-510.
  • Dubocovich M.L. Melatonin receptors : are there multiple subtypes ? Trends Pharmacol Sci 1995 ; 16 : 50-6.
  • Dubocovich M.L., Masana M.I., Jacob S., Sauri. D.M. Melatonin receptor antagonists that differentiate between the human Mel1a and Mel1b recombinant subtypes are used to asses the pharmacological profile of the rabbit retina ML1 presynaptic heteroreceptor Naunyn-Schmiederberg's Arch Pharmacol 1997 ; 355 : 365-75.
  • Dubocovich M.L., Cardinali D.P. Guardiola-Lemaire B., Hagan R.M., Krause D.N., Sugden D., Vanhoutte P.M., Yocca F.D. Melatonin receptors. The IUPHAR Compendium of Receptor Characterization and Classification IUPHAR Media, London 1998 ; 186-93.
  • Mahle C.D., Watson A.J. Melatonin receptors : potential targets for central nervous system disorders. Exp Opin Invest Drugs 1997 ; 6 (4) : 399-406.
  • Molinari E.J., North P.C. Dubocovich M.L. 2 [125 I] Iodo-5-methoxycarbonylamino-N-acetyltryptamine : a selective radioligand for the characterization of melatonin ML2 binding sites. Eur J Pharmacol 1996 ; 301 : 159-68.
  • Morgan P.J., Barret P., Howell H.E., Helliwell R. Melatonin receptors : localization, molecular pharmacology and physiological significance. Neurochem Int 1994 ; 24 (2) : 101-146.
  • Pevet P. Melatonine et rythmes biologiques. Therapie 1998 ; 53 : 411-20.
  • Reiter R.J. Pineal melatonin : cell biology of its synthesis and of its physiological interactions. Endocr Rev 1991 ; 12 : 151-180.
  • Reppert S.M., Weaver D.R., Ebisawa T. Cloning and characterization of a mammalian melatonin receptor that mediates reproductive and circadian responses. Neuron 1994 ; 13 : 1177-85.
  • Reppert S.M., Godson C., Mahle C.D., Weaver D.R., Slaugenhaupt S.A., Gusella J.F. Molecular characterization of a second melatonin receptor expressed in human retina and brain : the Mel1b melatonin receptor. Proc Natl Acad Sci USA 1995 ; 92 : 8734-8.
  • Vanecek J. Cellular mechanisms of melatonin action. Physiol Rev 1998 ; 78 : 687-721.