chapitre 1 : les récepteurs membranaires : les récepteurs...

Année universitaire 2014/2015Université Joseph Fourier (UJF) Grenoble I - Tous droits réservés



Chapitre 1 :Les récepteurs membranaires :

Les Récepteurs Couplés aux Protéines G (RCPG)

Dr. Marie BIDART

UE2 : Biologie Cellulaire

Généralitésa. La plus grande famille de récepteurs transmembranairesb. Variété des stimuli capables d'activer les RCPGc. Transduction du signal

Les RCPGa. Structure des RCPGb. Diversité et classification des récepteursc. Activation des RCPG

Les protéines Ga. La famille des protéines Gb. Structure des protéines G hétérotrimériquesc. Diversité des sous-unités αd. Cycle d’activation des protéines Ge. Les régulateurs des protéines G trimériques (RGS)

Les voies effectrices des protéines Ga. Voie de l’adénylate cyclaseb. Voies des phospholipases

Amplification du signal RCPG et pathologiesRCPG et implications thérapeutiques

Sommaire

Généralités

TK(RYK)

TP(RYP)

Membranaires

À activité enzymatique

Sans activitéenzymatique

Canaux ioniques

Couplés Prot G Cytokines

Nucléaires

Généralités

a. Les RCPG : la plus grande famille de Rc TM

Bockaert et al., 2002

Généralités

b. Une variété de stimuli

D’après Bockaert J et Pin JP EMBO J. (1999)

Goût

Odorat

Vue

Les RCPG

Petites molécules endogènes :- Acides aminés :

- Acide glutamique- Acide g-aminobutyrique

- Amines :- Acétylcholine- Adrénaline- Noradrénaline- Dopamine- Histamine- Mélatonine- Sérotonine- Tyramine- b-Phényléthylamine- Tryptamine- Octopamine

- Nucléosides :- Adénosine

- Nucléotides :- ADP- ATP- UTP

- Lipides :- Anandamide- 2-arachidonoyl-glycérol- Leucotriènes- Platelet Activating Factor (PAF)- Prostaglandines- Thromboxane A2- Acide lysophosphatidique (LPA)- Sphingosine-1-phosphate (S1P)- Sphingosyl-phosphoryl-choline (SPC)

- Peptides endogènes : liste des peptides

Photons :- Rhodopsine des cellules en bâtonnets-Opsines rouge, verte et bleue des cônes

Ions : Ca++

Molécules sensorielles :- Molécules olfactives- Molécules gustatives-Phéromones

Composés exogènes :- Cannabinoïdes (D9 Tétra-Hydro-Cannabinol)- Peptides d'amphibiens (bombésine, ranatensine)-Growth Hormone Secretagogues – GHS

Composé s du système immunitaire :- Chimiokines- Anaphylatoxines C3a et C5a du complément-Peptides N-formylés chimiotactiques

Protéines :- Hormones glycoprotéiques :

- Follitropine (FSH)- Choriogonadotropine (HCG)- Lutropine (LH)- Thyrotropine (TSH)

- Protéases :- Thrombine

- Toxines :-Latrotoxine

Molécules d'adhésion :- CD55 - Decay Accelerating Factor (DAF)

A titre d’illustration

b. Une variété de stimuli

Généralités

1

…

Prix Nobel de chimie 2012 Robert Lefkowitz et Brian Kobilka

Généralités

Sutherland(1971)

Rodbell et Gilman(1994)

Carlson (2000)

Axel et Buck

(2004)

Lefkowitzet Kobilka

(2012)

Généralités

Généralités

Molécule signal

extracellulaire(Ligand)

Cascade de signalisation intracellulaire

Récepteur transmembranaire

Protéine G(transducteur)

Effecteur primaire

Effecteur secondaire

Second messager

Réponse

Généralités

c. La transduction du signal par les RCPG

Molécule signal




Protéine G(transducteur)

Effecteur primaire


Second messager

Réponse






Sommaire

Les RCPG


a. Structure des RCPG

Les RCPG

D'après Spiegel, 1996


Une structure commune à sept hélices alpha transmembranaires

Les RCPG


Structure: • 7 domaines transmembranaires • 6 boucles intra- et extracellulaires • 1 domaine N-terminal extracellulaire • 1 domaine C-terminal intracellulaire

Domaine de liaison du ligand:• spécifique• extracellulaire ou intramembranaire

Domaines d’interaction avec les protéines G:• boucles intracellulaires et/ou domaine C-terminal

Absence d’activité catalytique

D'après Bockaert, 1995

(A) (B)

La rhodopsine,le prototype des RCPGS

Les RCPG


Le récepteur β2 adrénergiqueD’après G. Lebon 2012

Les RCPG


(C)

Les RCPG

b. Classification des RCPG

Une diversité des récepteurs directement liée à la diversité des ligands

La plupart des petits ligands se fixent dans une poche centrale située au sein des extrémités extracellulaires des hélices.

Classification fonction de leur structure tertiaire et du site de liaison de l’agoniste

Trois grandes familles de RCPG fonction- Structure tertiaire- Site de liaison

Famille 1

• Boucles extra-cellulaires reliées par un pont dissulfure (en vert)

• Le site de liaison avec le ligand se trouve sur les boucles extra-cellulaires et peut s’étendre à la partie N-terminale

Les RCPG

b. Classification des RCPG

Ligands non peptique Hormones

glycoprotéiques (FSH, LH, TSH…)

Neuropeptides, cytokines, hormones peptidiques

Récepteurs 1a Récepteurs 1b Récepteurs 1c

Les RCPGb. Classification des RCPG

Famille 2

- Pas de pont dissulfure- Site de liaison : N-terminale et

boucle exta-cellulaire

Famille 3

- Pas de pont dissulfure- Site de liaison :

Uniquement N-terminale

hormones peptidiquesde masse importante

GABA, Glutamate…

GhRH

Un type particulier de RCPG: les PAR (protease activated rec.)

La thrombine clive un peptide N-ter de son récepteur etdémasque ainsi la séquence ligand endogène qui active le récepteur

PLCß

q

Thrombine

Les RCPGc. Activation des RCPG

Pluralité des récepteursPluralité des ligands

Dimèrisation des récepteurs


GABA

Protéine G

D’après kniazeff , 2012

GABA : Acide γ-aminobutyrique

Une multitude de voie de signalisation








Sommaire

Les protéines G

a. La famille des protéines G

Superfamille de protéines liant le GTP et l’hydrolysant en GDP

Comprenant des protéines monomériques (petites protéines G, superfamille Ras composé de plus de 100 membres) ou hétérotrimériques

Synthétisées dans le cytosol et localisées sous la membrane plasmique (liées par un ou plusieurs acides gras à la membrane)

Les protéines G

b. Structure des protéines G hétérotrimériques

Composées de 3 sous-unités différentes :

: • lient le GTP et le GDP• activité GTPase• interagissent de façon spécifique avec les effecteurs

ß et : • forment un complexe de très haute affinité• lient sous sa forme inactive (= liée au GDP)• peuvent également interagir avec certains effecteurs• sont ancrées à la membranes plasmique

αβ

γ

GDP

Les protéines G

b. Structure des protéines G hétérotrimériques

La sous-unité

• Spécificité vis-à-vis du Rc et de l’effecteur• Sous-unité diffusible• 20 isoformes (homologie site fixation et hydrolyse GTP)• Deux grandes catégories fonctionnelles

– Les G stimulatrices (G s) Activation de l’adenylate cyclase Activation des canaux Ca2+ potentiel dépendant

– Les G inhibitrices (G i) Inhibition de l’adenylate cyclase Activation des canaux K+ potentiel-dépendants

αβ

γ

GDP

Les protéines G

c. Diversité de la sous unité α

Protéine Gα Ligands/Rc Effecteur Second

messager

Gs (s) Adrénaline/Rc βadrénergique AC ↑ AMPc ↑

Gs (olf) Molécules odorantes et Rcolfactifs AC ↑ AMPc ↑

Gi (i)

Adrénaline/Rc α2adrénergique

Acethylcholine/Rc muscarinique M2

AC ↓ AMPc ↓

Gi (t) Photon et rhodopsine PDE ↑ GMPc ↓

Gq

Adrénaline/Rcα1adrénergique

Acethylcholine/Rcmuscarinique M1,M3

PLCβ ↑ DAG ↑/ IP3↑

G12 PLA2 ↑ Eicosanoïdes ↑

Les protéines G

d. Cycle d’activation des protéines G

Les protéines G

e. Régulation des protéines G par les protéines RGS (Regulator of G protein Signaling)

Plus de 20 membres Domaine RGS

• se lient à Gsα• activité GTPAse

Turn-off signalisation RCPG

Effecteur

αβ γ

GDP

αγ

GTP

RGS

β

Second Messager





Amplification du signalRCPG et pathologiesRCPG et implications thérapeutiques

Sommaire

Les voies effectrices

a. La voie de l’adénylate cyclase

Molécule signal




Protéine G(αS)

Effecteur primaire


Second messager

Réponse

Adenylate Cyclase

AMPc

Protéine Kinase A



L’adénylate cyclase

‐ Glycoprotéine transmembranaire‐ 9 isoformes‐ Régulation :

‐ Sites de liaison Gs et Gi‐ Possède des sites de régulation de l’activité enzymatique

qui peuvent être phosphorylés par les protéines kinases A et C (PKA et PKC) ou les kinases calcium calmoduline dépendantes rétrocontrôle négatif



L’adénylate cyclase, régulation

Ad

AdrénalineNoradrénaline

Rc βadrénergique Rc α-adrénergique




‐ Glycoprotéine transmembranaire‐ 9 isoformes‐ Régulation :

‐ Sites de liaison Gs et Gi‐ Possède des sites de régulation de l’activité enzymatique

qui peuvent être phosphorylés par les protéines kinases A et C (PKA et PKC) ou les kinases calcium calmoduline dépendantes rétrocontrôle négatif

‐ 2 sites catalytiques intracellulaire‐ Rôle : Hydrolyser l’ATP en AMP cyclique




Domainescatalytiques

3’

5’

+ 2 PO43-



L’AMPc

- Découverte de l’AMPcyclique et théorie du « second messager » (1959) à partir de l’étude des mécanismes de la glycogénolyse

Le 3’, 5’AMP cyclique



L’AMPc

- Active des protéines kinases dites AMPc-dépendante (PKA)

- Active également les canaux cationiques non sélectifs présents dans les cellules cardiaques du nœud sinusal

- Demi-vie courte

- Dégradé par des phosphodiesterases (PDE) en 5’ AMP inactif

Les voies effectricesa. La voie de l’adénylate cyclase

La protéine Kinase A

- Protéine-Kinase AMPc dépendante- Hétérotétramère cytosolique- Répartition ubiquitaire

- Diversité des substrats

Protéine Kinase Ainactive

La PKA

Sous-unité régulatrice

Sous-unité catalytique

AMPc

Sous-unité catalytiques actives

P

Arg-Arg-X-Ser/Thr



La réponse : Diversité des substrats action multiple de l’AMPc

- Métabolisme énergétique (glycogénolyse, lipolyse)

- Activation de la contraction et du rythme cardiaque (inotropismepositif et chronotropisme positif)

- Transcription du génome via CREB …






Sommaire


b. Voies des phospholipases

Enzymes hydrolysant les liaisons esters des phospholipides

A1



Enzymes hydrolysant les liaisons esters des phospholipides

Multiplicité des seconds messagers- Inositol triphosphate (IP3)- Diacylglycérol (DAG)- Acide arachidonique (AA)- Thromboxanes- Leukotriènes

Activées par RCPG ou influx de calcium dans la cellule



La phospholipase C

Molécule signal




Protéine G(q)

Effecteur primaire


Second messager

Réponse

Phospholipase Cβ

IP3 /DAG

cPKC


b. Voies des phospholipases, la phospholipase cβ

La phospholipase Cβ

- Enzyme transmembranaire- Activée par Gq- 4 domaines caractéristiques

• EF HAND - site de reconnaissance du calcium • C2 – site reconnaissance Gq• Plekstrin Homology (PH) - spécificité de la phospholipase• Domaine catalytique

- Production second messager IP3 et DAG- Hydrolyse spécifiquement les phosphatidylinositol monophosphate et

diphosphate (PIP et PIP2)

Les voies effectricesb. Voies des phospholipases, la phospholipase cβ

La phospholipase Cβ, synthèse de PIP2

Membrane plasmiqueChaine d’acide grasdans la monocouche

lipidique

Cytoplasme

Les voies effectricesb. Voies des phospholipases , la phospholipase cβ

La phospholipase Cβ, Hydrolyse PIP2 et synthèse de IP3 et DAG

PI: phosphatidylinositolPIP: PI-4-phosphatePIP2: PI-4,5-bisphosphatePLC: phospholipace CßDAG: diacylglycérolIP3: inositol 1,4,5-trisphosphateRE: réticulum endoplasmique [Ca++]=10-4 - 10-3 M

[Ca++] = 10-7 M

[Ca++] = 10-5 M

IP3

DAG

IP 3


b. Voies des phospholipases , la phospholipase cβ

L’inositol tri-phosphate (IP3)- Produit par hydrolyse de PIP2- Active les récepteurs canaux calciques de le membrane du RE- Durée de vie brève, recyclé

PIP2

Libère le calcium à partir du RE

Provoque l’entrée de calcium dans le

cytosol à partir du milieu extracellulaire



L’inositol tri-phosphate (IP3)

- Augmentation de la concentration cytosolique en Ca2+- Effets multiples

Calmoduline inactive

Calmoduline active

Adénylate cyclasePhosphodiesterase

PK inactive PK activeProtéine

Protéine P

Ca2+



L’inositol tri-phosphate (IP3)

- Augmentation de la concentration cytosolique en Ca2+- Effets multiples

- Exemple : Activation des protéines kinases dépendantes de la calmoduline

La calmoduline (CAM) lie 4 ions Ca++, ce qui induit un changement de

conformation

Kinase Ca++-CAMdépendante



L’inositol tri-phosphate (IP3)- Augmentation de la concentration cytosolique en Ca2+- Effets multiples

- Exemple : Activation des protéines kinases dépendantes de la calmoduline

Inactivation par

phosphatase

Domaine inhibiteur

Ca++/CAM activele domaine catalytique

P

Le domaine catalytiquephosphoryle le domaine

inhibiteur activation max

Lorsque [Ca++]baisse, CAM se

dissocie baisse de l’activité

P

Ca2+Pi

Domaine catalytique

Ca2+/ calmoduline

Kinase II dépendante de la calmoduline


Le diacylglycérol (DAG)

- Produit par l’hydrolyse de phospholipides- Reste ancré à la membrane plasmique- Deux rôles potentiels dans la transmission des signaux

• Active PKC• Clivé, il libère de l’acide arachidonique

o second messagero synthèse éicosanoides



La PKC

Récepteur de l’IP3

Activation de la PKC parDAG + Ca++ + phosphatidylsérine



La PKC

- enzyme cytosolique ou membranaire- Un domaine régulateur en N-terminal- Un domaine catalytique en C-terminal à activité sérine/thréonine kinase- 4 domaines fonctionnels

• C1 : DAG• C2 : Calcium• C3 : ATP• C4 : substrat

- Fonctions multiple

régulateur

catalytique


La réponse

- Contrôle de l’expression génique (processus prolifération cellulaire)

- Construction du cytosquelette

- Excitabilité cellulaire et transduction membranaire



La phospholipase A2

Molécule signal




Protéine G

Effecteur primaire


Second messager

Réponse

Phospholipase A2

AA

Les voies effectricesb. Voies des phospholipases

La phospholipase A2- Enzyme cytosolique à translocation membranaire en présence de

Calcium- Activé par certains RCPG couplés à protéine Gα12- Hydrolyse une fonction ester des phospholipides membranaires

(phosphatidylcholine) pour libérer l’acide arachidonique

Phospholipase A2

Acide arachidonique


b. Voies des phospholipases , la phospholipase A2

L’acide arachidonique Précurseur de la synthèse des eicosanoides

Rôle de messager : RCPG ou Récepteurs nucléaires (PPAR)

Acide arachidonique

Cycloxygénases Lipoxygénases

ProstaglandinesThromboxanes Leucotriènes


b. Voies des phospholipases , la phospholipase A2

La réponse : l’action des eicosanoides– Par l’intermédiaire de RCPG– Prostaglandines (PGE2, PGF2)

• Contraction du muscle lisse: artères, myomètre, …• Réponse inflammatoire

– Prostacycline (PGI2)• Relaxation du muscle lisse: artères

– Thromboxanes (TXA2):• Coagulation: agrégation plaquettaire

– Leucotriènes:• Réponse inflammatoire• Contraction du muscle lisse: bronches, …


Les RCPGsa. Structure des RCPGb. Diversité et classification des récepteursc. Activation des RCPG



Amplification du signalRCPG et pathologieRCPG et implication thérapeutique

Sommaire

Amplification du signal






Sommaire

Mutations:Activatrices ou

inhibitrices

Ligand anormal :anticorps

RCPG et pathologies humaines

αβ

γ

GDP ADP-ribosylation


a. Pathologies liées au récepteur

Activation- Auto-anticorps

- Récepteur de la TSH Hyperthyroïdie (Maladie de Basedow)

- Mutation- Récepteur de la TSH Hyperthyroïdie- Récepteur à la LH Puberté précoce

Rc TSH

Ac anti-Rc TSH

+++Basedow


Addison

Parathyroid cell


Inactivation- Mutation

• Récepteur de l’ACTH Déficit en glucocorticoïdes• Récepteur du Ca++ Hypercalcémie, hyperparathyroïdie



Inactivation

- Mutation

• Récepteur de l’ACTH Déficit en glucocorticoïdes

• Récepteur du Ca++ Hypercalcémie, hyperparathyroïdie

• Récepteur de la TSH Hypothyroïdie congénitale


b. Pathologies liées au protéine G

– Mutations activatrices / inhibitrices :• Acromégalie

• L'ostéodystrophie héréditaire d'Albright (Pseudohypoparathyroidie)

Acromégalie Pseudohypoparathyroidie


b. Pathologies liées au protéine G

– ADP-ribosylation: Substrat, NAD (nicotinamide adénine dinucléotide)

Toxine cholérique

Gαs(Activation irréversible)

AMPc ↑↑ Sécrétion intestinale de Na+

Diarrhée sécrétoire, déshydratation

Toxine pertussique

Gαi(Inactivationirréversible)

TouxComplications infectieuses, hémorragiques et neurologiques

Bordetella pertussisCoq

uelu

che

Cho

léra

Vibrio cholerae

AMPc ↑↑


Les RCPGsa. Structure des RCPGb. Diversité et classification des récepteursc. Activation des RCPG



Amplification du signalRCPG et pathologieRCPG et implication thérapeutique

Sommaire

RCPG et implication thérapeutique

L’exemple des récepteurs adrénergiques :

– Ligands endogènes : cathécholamines (adrénaline et noradrénaline)

– Classification en et ß basée sur les d’affinité pour des analogues synthétiques

– Effets biologiques différents :• : vasoconstricteurs (adrénaline>noradrénaline)• ß: vasodilatateurs (noradrénaline>adrénaline)

– Sous-classification des et ß basée sur les d’affinité pour d’autres analogues synthétiques

RCPG et implication thérapeutique

L’exemple des récepteurs adrénergiques :

Récepteur Protéine G Localisation Effet

α1 GqMuscle lisse

vaisseaux, utérus Vasoconstricteur périphérique

α2 Gi Neurones Vasodilatateur central

ß1 Gs Cœur Effets chronotrope positif et inotrope positif

ß2 GsArtères, bronches,

utérus Myorelaxant

ß3 Gs Adipocytes bruns lipolyse, thermogenèse

RCPG et implications thérapeutiques

• L’exemple des récepteurs adrénergiques :

- Les ß-bloquants sont utilisés comme antihypertenseurs• Inconvénients : ils bloquent les effets ino- et chronotropes de

l’adrénaline mais aussi les effets vaso- et bronchodilatateurs contre-indiqué chez les asthmatiques.

• Avantage des ß1-bloquants sélectifs: n’agissent qu’au niveau cardiaque sauf à trop fortes doses perte de sélectivité car se lient alors aussi aux récepteurs ß2 !!!.


• L’exemple des récepteurs adrénergiques :

– Les ß-mimétiques sont utilisés comme broncho-dilatateurs dans l’asthme et comme myorelaxants dans les menaces d’accouchement prématuré.

• Inconvénients : Ils miment les effets myorelaxants de l’adrénaline mais stimulent aussi les effets cardiaques : palpitations, hypertension.

• Avantages des ß2-mimétiques : n’agissent que sur le muscle lisse, sauf à trop fortes doses perte de sélectivité car se lient alors aussi aux récepteurs ß1 !!!


L’exemple des récepteurs cholinergiques :

D'après Bruchez, 2010


L’exemple des récepteurs cholinergiques :

D'après Bruchez, 2010

M3



L’exemple des récepteurs histaminiques :

Type Proteine G Localisation fonctionH1 Gq/11 Muscles lisses contraction des muscles lisses,

bronchoconstriction, tachycardie

Endothélium vasodilatation, hypotension, urticaire, douleur

SNC maintien de l'état de veille

H2 Gs Muscle lisse (intestin) Régulation de l’acide gastrique

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