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Le calmar

Photography by Elaine L. Bearer and Russell E. Jacobs at Marine Biological Laboratory, Woods HoleDepuis les années 1930, les calmars sont utilisés pour étudier les propriétés des cellules nerveuses et ont facilité la compréhension du système nerveux. L'axone géant du calmar est la cellule nerveuse la plus grande connue à ce jour dans le règne animal. Cet axone peut avoir un diamètre de plus de 1 mm et mesurer presque un mètre. L'axone fait partie du système de propulsion du calmar et s'étend du ganglion jusqu'aux muscles, transportant des signaux qui contrôlent et coordonnent les mouvements. La cavité palléale du calmar est généralement remplie d'eau de mer, mais une contraction coordonnée des muscles agit comme un système de propulsion par jet d'eau, expulsant l'eau et propulsant le calmar dans l'eau à une vitesse pouvant atteindre 10 m/s.

Les calmars sont des mollusques possédant des systèmes nerveux et sensoriel extrêmement développés, notamment des yeux et un cerveau complexes. Malgré les différences évidentes entre le calmar et l'homme, l'hypothèse d'un fonctionnement identique de notre système nerveux a permis de réaliser des avancées considérables dans notre compréhension de la neurophysiologie.

Le zoologiste John Zachary Young et le physiologiste Kenneth Cole ont été les tout premiers à étudier leur système nerveux pendant les années 1930. À l'époque, les signaux électriques du système nerveux étaient étudiés en ayant recours à des amphibiens, ou des crabes. Mais, les axones géants du calmar à longues nageoires, Loligo pealeii, ont un diamètre 50 fois supérieur à ceux du crabe et 1 000 fois supérieur à ceux de l'homme. Cette taille importante a permis de placer des électrodes à l'intérieur de l'axone afin de réaliser simultanément des enregistrements à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule, mesurant ainsi les changements de courant transitant sur la membrane cellulaire lorsque le nerf envoie le signal.

Ces travaux ont inspiré les célèbres expériences d'Hodgkin et Huxley sur les axones géants de L pealeii au Laboratoire marin de Plymouth au Royaume-Uni. Elles ont démontré comment le mouvement de charges d'ions transitant à travers une membrane cellulaire provoque un signal électrique transmis par les fibres nerveuses. En 1963, ils reçurent le prix Nobel pour ces travaux, fondements de la neurophysiologie moderne.

De nombreuses années sont nécessaires pour livrer des informations sur le calmar, qui ne peut pas être gardé, ni élevé en captivité et s'approche rarement des côtes. Depuis 1962, année de l'ouverture du Laboratoire de Physiologie Cellulaire à Montemar, au Chili, les électrophysiologistes ont également étudié le calmar de Humboldt, Dosidicus gigas, l'une des plus grandes espèces connues au monde et deux fois plus grande que le calmar à longues nageoires. L'invention du « patch clamp » a permis aux électrophysiologistes de travailler sur des mammifères. Le calmar demeure néanmoins le meilleur modèle pour un grand nombre d'études sur le système nerveux.

Les mécanismes de transport neuronal

Le transport des molécules depuis le corps cellulaire d'un neurone jusqu'à l'axone est essentiel au fonctionnement et à la survie de la cellule. Les recherches sur le transport de L pealeii vers les axones ont démontré que le matériel biologique est chargé et dirigé vers son emplacement cible par un unique peptide. Ce  peptide forme une partie de la protéine précurseur de l'amyloïde (APP), qui semble jouer un rôle dans la maladie d'Alzheimer.

La protéine précurseur de l'amyloïde est un composant des plaques qui se forment dans le cerveau pendant la maladie d'Alzheimer. Les mutations de cette protéine sont connues pour déclencher l'apparition précoce de la maladie d'Alzheimer. On connaît néanmoins relativement mal son rôle dans les cellules saines. Afin de tester le rôle de l'APP dans le transport axonal, Elaine Bearer de la Brown University a enrobé des microbilles fluorescentes avec les différents peptides qui constituent l'APP et les a injectés dans un axone géant de calmar.

L'importante taille de l'axone sur le calmar permet aux chercheurs de visualiser le mouvement des composants cellulaires et le matériel dans l'axone peut être manipulé, tout en conservant intacts et en fonctionnement les processus impliqués dans le transport. Après avoir expérimenté sept peptides différents, un (APP-C) a déplacé les billes du bas de l'axone vers la synapse. L'APP-C chez le calmar est quasi identique au peptide équivalent chez les vers, mouches du vinaigre et êtres humains ; il est donc probable qu'il joue un rôle similaire dans le transport neuronal chez tous les animaux.

Dans les études de diagnostic, l'APP-C pourrait être utilisé comme marqueur pour transporter les médicaments vers les synapses afin de déterminer la proportion de transport qui a été perturbé dans le cas de démence et pourrait constituer une cible médicamenteuse pour les maladies d'Alzheimer, d'Huntington et d'autres maladies dans lesquelles le transport nerveux se rompt.

La structure de la rhodopsine du calmar

Les calmars ont une excellente vision qui leur permet d'attraper leur proie. La rhodopsine est une protéine située dans la membrane des cellules photoréceptrices et photosensibles de la rétine. La rétine du calmar a de nombreuses caractéristiques communes avec les yeux de l'homme et d'autres mammifères. Lorsque la lumière atteint les cellules photoréceptrices, la rhodopsine change de forme et devient capable d'activer une protéine G, provoquant des modifications biochimiques à l'intérieur de la cellule.

La structure de cette protéine messager et les modifications biochimiques qu'elle provoque chez le calmar sont différentes de celles observées jusqu'à présent chez les vertébrés. La protéine activée est similaire aux protéines utilisées comme messagers biochimiques par bon nombre d'hormones et de neurotransmetteurs chez  l'homme. Ce type de protéine est une cible pour de nombreux médicaments, notamment les antihistaminiques, mais sa structure précise n'était jusqu'ici pas bien connue.

La structure cristalline de la rhodopsine du calmar montre précisément comment la protéine est en mesure de changer de forme ainsi que les similitudes et différences d'autres rhodopsines de vertébrés ayant été étudiées. Elle indique également comment la rhodopsine absorbe la lumière et la quantité maximum pouvant être absorbée. La structure pourra également permettre de mettre au point des médicaments qui affectent ce type de récepteur.

Ces travaux seront particulièrement utiles pour les chercheurs qui étudient la mélanopsine humaine, autre photorécepteur responsable du réglage de notre horloge biologique et du réflexe pupillaire. La mélanopsine est plus proche de la rhodopsine des calmars que de celle des vertébrés, notamment l'homme.


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