# Récepteurs olfactifs des vertébrés

Roland Salesse, Guenhaël Sanz

► To cite this version:

Roland Salesse, Guenhaël Sanz. Récepteurs olfactifs des vertébrés. La Lettre des Neurosciences, 50 (50e edition), Société des Neurosciences, pp.41, 2016, La Lettre - Société des Neurosciences, 2117-5535. hal-02792324

HAL Id: hal-02792324

https://hal.inrae.fr/hal-02792324

Submitted on 5 Jun 2020

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
la Lettre

LA LETTRE DES NEUROSCIENCES / PRINTEMPS - ÉTÉ 2016

NUMÉRO

50

50e EDITION

Histoire des Neurosciences 4

Histoire des recherches sur l'odorat

Dossier 9

L'olfaction : de la molécule
au comportement

Nouveautés en neurosciences 31

L'émergence de l'aptitude à
l'invention technique chez l'homme

Tribune libre 35

Des neurotechnologies à l'homme
augmenté : un pas à ne pas franchir

Vie de la Société 37

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Société
des
Neurosciences

<figure><img src="image_3.png" /></figure>
<figure><img src="image_4.png" /></figure>

## RÉCEPTEURS OLFACTIFS DES VERTÉBRÉS

ROLAND SALESSE ET GUENHAËL SANZ (Unité de Neurobiologie de l'Olfaction, INRA, Jouyen-Josas)

2004 : le prix Nobel de Physiologie et de Médecine est attribué à Richard Axel et Linda Buck pour la découverte des récepteurs olfactifs (RO) (1). Pourquoi tant d'honneur ?

L'olfaction est un sens chimique qui nécessite la reconnaissance de molécules odorantes par des récepteurs membranaires. Les récepteurs olfactifs, constituaient le « chaînon manquant » entre les odorants(a) et la réponse neuronale. Leur découverte a relancé les études sur l'olfaction(b).

Chez les vertébrés, les RO sont principalement exprimés dans les cils den-

dritiques des neurones olfactifs présents dans la muqueuse olfactive et qui projettent leurs axones au niveau du bulbe olfactif, premier relais cérébral du message olfactif. Certains mammifères, en particulier les rongeurs, possèdent des systèmes olfactifs supplémentaires équipés de RO (organe septal, ganglions de Grueneberg) ou d'autres récepteurs spécifiques (organe voméronasal). Par ailleurs, on trouve des RO dans d'autres tissus où ils participent à diverses fonctions comme la régulation de la migration cellulaire ou des phénomènes de sécrétion. Ainsi, comme bien d'autres membres de la famille des récepteurs à 7 segments trans-membranaires couplés aux protéines G (RCPG), les RO deviennent des cibles pharmacologiques d'intérêt(c). Selon la classification GRAFS, les RO appartiennent à la classe R qui regroupe les RCPG du type de la rhodopsine, et plus précisément à la sous-classe δ (5).

### Nombre

L'aspect le plus frappant des RO de vertébrés est leur nombre, qui dépasse le millier chez les mammifères, soit 4,5 % du génome (et même 2000 chez l'éléphant !). Ces aspects évolutifs sont traités plus loin (6). Pour le présent chapitre, il faut garder en mémoire deux choses : 1) l'olfaction étant une fonction vitale pour la survie des individus et des espèces, on trouve des récepteurs pour les odorants sociaux, sexuels, alimentaires, environnementaux ; le répertoire de

RO d'une espèce donnée est donc très lié à son mode de vie(d) et 2) dans une même espèce, les gènes sont l'objet de tellement de polymorphismes (SNP, CNV, pseudogènes, mutations) qu'il y a peu de chances de trouver deux individus munis du même répertoire.

### Régulation de l'expression

La régulation de l'expression des RO constitue leur deuxième caractéristique remarquable. À maturité, chaque neurone olfactif n'exprime qu'un seul allèle d'un gène donné et tous les neurones exprimant le même récepteur envoient leur axone vers le même glomérule du bulbe olfactif (4). On comprend que ces propriétés garantissent la spécificité du signal et améliorent le rapport signal/bruit. Pour ce faire, les neurones mettent en place une stratégie originale long-temps non élucidée, la « voie des protéines dégradées » -en anglais *Unfolded Protein Response* ou UPR(e). Dans un premier temps, les neurones immatures peuvent exprimer un ou quelques RO ; les protéines ainsi produites, difficiles à replier, s'accumulent dans le réticulum endoplasmique, ce qui déclenche la réponse UPR qui aboutit elle-même à la stimulation de l'adénylyl cyclase III. En définitive, ceci se traduit, dans les neurones matures, par la méthylation de l'histone H3 qui entraîne la répression de tous les gènes de RO, sauf le plus activé dont l'expression perdure (3).

On sait également que les RO sont exprimés dans l'axone des neurones olfactifs et qu'ils jouent un rôle dans l'adres-sage final vers le « bon » glomérule du bulbe olfactif, sans doute en augmentant la production d'AMPc en fonction de la distance à parcourir à travers le bulbe olfactif.

Le nombre et la qualité des récepteurs exprimés peuvent changer au cours de la vie. Chez la souris, on n'a trouvé qu'une certaine de gènes exprimés chez le fœtus à 15 jours

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 1** - Comparaison des ligands agonistes et antagonistes d'un récepteur olfactif humain (OR1G1, ou OR 17-209). Les agonistes forts sont regroupés dans le cercle central. Autour du cercle, les agonistes plus faibles sont regroupés par classe chimique. Trois antagonistes sont encadrés. On remarque la diversité des structures et des fonctions chimiques (reproduit de Sanz et al (8), avec permission).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<footnote>(a) Nous employerons « odorant » pour les produits chimiques et « odeur » pour la perception élaborée par le cerveau.</footnote>

<footnote>(b) Pour un état des lieux, voir Salesse et Gervais 2012 (7).</footnote>

<footnote>(c) Les RCPG sont la cible de plus de 30% des médicaments.</footnote>

<footnote>(d) C'est ainsi que lors de l'apparition des amphibiens, le passage à la vie terrestre s'accompagne d'une explosion du nombre de gènes de RO, d'une centaine chez les poissons à 400 chez le xénope.</footnote>

<footnote>(e) Il s'agit d'une réponse cellulaire au stress.</footnote>
# Dossier

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 2 -** Schéma de la transduction canonique du signal par les récepteurs olfactifs.</figcaption></figure>

À gauche : un neurone olfactif, entre deux cellules de soutien, avec les cils dendritiques baignés par le mucus et portant les récepteurs olfactifs.

À droite : cascade de transduction dans un cil dendritique (voir texte pour les détails). Abréviations : AC : adénylyl cyclase III ; CNGC : canal ionique stimulé par les nucléotides cycliques ; GRK : kinase spécifique des RCPG ; iP3 : inositol triphosphate ; OBP : protéine de liaison des odorants ; PDE : phosphodiestérase ; PiP2 : phosphatidyl inositol-2-phosphate ; PKA : protéine-kinase A ; PKC : protéine-kinase C ; PLC : phospholipase C ; R : récepteur olfactif ; RGS : régulateur de la stimulation des protéines G.

de gestation, mais 600 deux semaines après la naissance. À noter que le jeu de gènes majoritairement exprimés change qualitativement entre la naissance et l'âge adulte, montrant à nouveau une forte corrélation avec le mode de vie. Le vieillissement s'accompagne d'une perte de l'odorat mais aucune donnée moléculaire n'est disponible chez l'homme. L'état physiologique des animaux, leur environnement olfactif et les apprentissages semblent modifier l'expression de leurs récepteurs mais beaucoup reste à faire dans ce domaine.

## Pharmacologie des récepteurs olfactifs

La troisième caractéristique est le codage combinatoire des odorants. Si chacun des quelques 1000 récepteurs ne détectait qu'un seul odorant, on ne pourrait sentir que 1000 odorants. Or, il existe des dizaines de milliers, voire des millions d'odorants. En 1999, Malnic et al (3) ont montré qu'un même récepteur pouvait reconnaître différents odorants et qu'un même odorant pouvait se lier à différents récepteurs. Certains RO ont un large répertoire de ligands, tandis que d'autres montrent une plus grande sélectivité. Les récepteurs peu sélectifs auraient une activité basale plus élevée, suggérant une plus grande facilité à être activés par les odorants. Au-delà de ces subtilités sans doute importantes physiologiquement, ce codage combinatoire permet de générer des milliards de combinaisons possibles. Un odorant est ainsi caractérisé par un jeu de récepteurs activés, même si une partie de cet ensemble est partagée avec d'autres odorants. Au niveau du bulbe olfactif, l'activation de ces récepteurs caractéristiques d'un odorant se traduit par un patron de glomérules activés lui aussi spécifique.

Dans ces conditions, on comprend que, même avec les méthodes à haut débit, il soit impossible d'établir la liste complète des ligands de tous les récepteurs. En outre, le codage combinatoire des odorants se complexifie avec l'existence de ligands odorants antagonistes des RO (figure 1). Il semble que les RO aient poussé au plus haut degré la pharmacologie déjà complexe des RCPG : nombreux agonistes et antagonistes de force plus ou moins

importante, importance de la balance hydrophobe/polaire des ligands, dimérisation et association avec les OBP (Odarant Binding Protein) présentes dans le mucus baignant l'épithélium olfactif (9).

En absence de structure cristallographique des RO, on se base sur le modèle des autres RCPG pour essayer de comprendre leur fonctionnement (cf encadré).

## Transduction du signal

La figure 2 montre les voies de transduction « canoniques » des RO.

Dans les neurones olfactifs matures, la particularité des RO est d'interagir principalement avec la protéine G dont la sous-unité α, nommée Gαolf, est une variante des sous-unités Gs. Comme Gs, Gαolf active une adénylyl cyclase, mais de type III, caractérisée par une très faible activité constitutive. La cascade de transduction mobilise ensuite un canal ionique sensible aux nucléotides cycliques (CNGC), qui laisse entrer des ions Na⁺ et Ca⁺⁺. Le Ca⁺⁺ provoque à son tour l'ouverture d'un canal Cl⁻ entrant qui est le principal responsable de la dépolarisation⁽¹⁾. Cette dépolarisation déclenche elle-même l'émission d'un train de potentiels d'action spécifique de la qualité et de la quantité d'un odorant donné.

Toutefois, les odorants peuvent induire l'activation d'autres sous-unités α des protéines G, telle que la sous-unité Gq. Cela conduit à l'activation d'une phospholipase C et à la vague calcique consécutive. Les odorants pourraient également activer la PI3K et ainsi s'opposer à la stimulation des CNGC par l'AMPc. Enfin, en dehors du système olfactif, la voie PI3K pourrait être enclenchée via les sous-unités βγ des protéines G, ou encore en sollicitant la kinase Src et l'ouverture des canaux TRPV6.

Dans les neurones olfactifs, l'arrêt du signal est obtenu par les acteurs classiques : kinases (dont GRK3) et β-arrestine au niveau du complexe récepteur-protéine G, phosphodiesterases (PDE1C2 et PDE4A) qui hydrolysent l'AMPc, Ca⁺⁺-calmoduline (CaMK2) qui inhibe les canaux CNGC et chlorure. Après 25 ans de recherche, les RO conservent leur
mystère : personne n'a jamais démontré l'existence de complexe entre ligand odorant et récepteur, seules des données (nombreuses) d'activation cellulaire consécutive de l'interaction des odorants avec les RO sont disponibles. En raison de leur pharmacologie foisonnante et de leur expression difficile, leur déorphanisation<sup>(g)</sup> exhaustive reste illusoire, tandis qu'on soupçonne l'existence de ligands modulateurs comme pour les autres RCPG. Le rôle de leur dimérisation et celui des OBP restent trop peu étudiés. Enfin, quelles fonctions peuvent-ils exercer dans des tissus non olfactifs et dans des pathologies comme les cancers ? Autant de pistes de recherche pour les années à venir.

roland.salesse@jouy.inra.fr
Guenhael.Sanz@jouy.inra.fr

## RÉFÉRENCES

(1) Buck L.B. et Axel R. (1991) Cell, 65, 1, 175-187.

(2) Dalton R.P., Lyons D.B. et Lomvardas S. (2013) Cell, 155, 2, 321-332.

(3) Malnic B., et al. (1999) Cell, 96, 5, 713-723.

(4) Mombaerts P. (2004) Current Opinion in Neurobiology, 14, 1, 31-36.

(5) Persuy M.A., et al. Progress in Molecular Biology and Translational Science, vol 130, p 1-36.

(6) Pierron D. (2016) Dans ce numéro, chapitre sur l'évolution des rolf.

(7) Salesse R. et Gervais R. (Ed. Sci, 2012) Odorat et goût. De la Neurobiologie des sens chimiques aux applications. Quae (Versailles-Paris), 539 p.

(8) Sanz G., et al. (2005) Chem Senses, 30, 1, 69-80.

(9) Vidic J., et al. (2008) Lab on a Chip, 8, 5, 678-688.

<sup>(f)</sup> L'importance de ces canaux de la famille anoctamine dans la génération du potentiel de membrane a été contestée.

<sup>(g)</sup> Un récepteur dont les ligands sont inconnus est appelé orphelin ; la déorphanisation (terme adapté de l'anglais) consiste à trouver ces ligands.

## // RELATIONS STRUCTURE-FONCTION DES RÉCEPTEURS OLFACTIFS

PAR ROLAND SALESSE

Les récepteurs olfactifs (RO) constituent le plus grand groupe de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG<sup>(a)</sup>). Les RCPG sont longtemps restés rebelles à la cristallographie, mais désormais plus de 120 d'entre eux ont révélé leur structure tridimensionnelle (1). Cependant, aucun RO n'a encore été cristallisé ; il est donc nécessaire d'avoir recours à la modélisation moléculaire, si possible couplée à une validation expérimentale (par de la mutagenèse dirigée et des tests fonctionnels), pour définir le site de liaison des odorants et comprendre leur mécanisme d'activation. Comme les autres RCPG de la classe R (du type de la rhodopsine), les RO possèdent 7 segments transmembranaires (TM) reliés par des boucles extracellulaires et intracellulaires, et présentent une extrémité N-terminale du côté extracellulaire et une extrémité C-terminale sur la face cytoplasmique. Cette structure assure au moins trois fonctions : l'insertion dans la bicouche lipidique, la délimitation d'une poche intramoléculaire, tournée vers l'extérieur, constituant le site de liaison des ligands et enfin, côté cytoplasmes, le couplage avec une protéine G (et éventuellement d'autres adaptateurs ou régulateurs).

La figure représente une vue schématique du récepteur OR1G1 humain, modélisé par De March et al. (2), avec les acides aminés (aa) en code monolettre. Les aa marqués sur fond rouge participeraient à la liaison et/ou à la discrimination des ligands. Ils sont portés par les TM 3, 5, 6 et 7, qui délimitent la poche de liaison, et par la boucle extracellulaire 2 (Be2). Le motif FFG (sur fond rouge/jaune) participerait à la fois à la liaison et au déclenchement de l'activation du RO. Les aa marqués sur fond jaune seraient impliqués dans l'activation des RO. Dans les RCPG, au repos, les segments transmembranaires TM3 et TM6 sont maintenus ensemble, du côté cytoplasmique, par un motif DRY<sup>(b)</sup> dans le TM3, dont l'Arg forme un pont salin avec un Asp ou un Glu à la base du TM6. Mais ces aa sont absents

du TM6 des RO, qui se distinguent plutôt par un motif KAFSTCSSH. Un autre motif conservé dans le TM6 des RCPG, CWxP, est également absent chez les RO et remplacé par une séquence FYG. Malgré ces particularités des RO, on pense, comme chez les autres RCPG, que la transconformation induite par la liaison du ligand provoque l'écartement de la base cytoplasmique des TM3 et TM6, ce qui constitue une étape majeure de l'activation. On considère que le pont disulfure (en pointillé) entre les deux boucles extracellulaires Be1 et Be2, jouerait un rôle de charnière n'autorisant l'ouverture que du côté cytoplasmique. Cette ouverture entraînerait un remaniement de la face cytoplasmique permettant l'activation de la protéine G. Dans le cas des RO, la modélisation identifie quelques motifs ou aa importants dans ce mécanisme de transduction : la séquence KAFSTCSSH, une Val à la base du TM5 et 3 aa (L, S, K) dans la boucle intracellulaire 3 (Bi3). Une autre séquence, conservée à travers tous les RCPG (motif NPxxY, ici NPFYI) et se trouvant à la base du TM7, stabiliserait les récepteurs dans leur état inactif, notamment en interagissant avec l'hélice C-terminale.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Vue schématique d'un récepteur olfactif OR1G1, d'après de March et al (2015).</figcaption></figure>

roland.salesse@jouy.inra.fr

## RÉFÉRENCES

(1) Piscitelli C.L., et al. (2015) Molecular Pharmacology, 88, 3, p 536-551.

(2) de March C.A., et al. (2015) Protein Science, 24, 9, p 1543-1548.

<sup>(a)</sup> Le Prix Nobel de Chimie 2012 a récompensé Robert J. Lefkowitz et Brian K. Kobilka pour leurs travaux sur les RCPG.

<sup>(b)</sup> D'ailleurs inclus dans une séquence très conservée MAYDRYVAICxPLxY dans les RO.

<figure><img src="image_9.png" /></figure>