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 cm2 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, IP3, 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 (odorant-binding 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: 30-50 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 TcR / BcR 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 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) • 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

TRANSDUCTION SIGNAL OLFACTIF Les protéines G : 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 ( Ca2+ 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 PDE1C2 (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 (Gcn1 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 IP3 : Rôle bien connu PLC dans SNC pour  IP3 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  IP3 Place  IP3 dans transduction ? Controversé : électrophysiologie aucun effet IP3 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 IP3 impliqué dans d’adaptation cellulaire (modulation réponse) • Rôle IP3 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/olfact1.html