introduction générale sur la transduction de...
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Introduction générale sur la transduction
de signal
Transduction de signal
Les cellules doivent communiquer
entre elles, même à longue distance
Existent donc des molécules
(hormones, cytokines, facteurs de croissance, etc...) qui
circulent dans l’organisme et qui transmettent les informations
d’une cellule à l’autre
Les cellules au sein d’un même tissu doivent également
communiquer :
Un vaisseau sanguin ayant
subi un dommage va d’abord voir l’arrivée des plaquettes
sanguines, et celles-ci vont produire des facteurs de
croissance pour reconstruire
le vaisseau (multiplication des cellules endothéliales)
Mais toutes les cellules ne doivent pas réagir de la
même manière !!!!
Dans une blessure, les
cellules immunitaires vont se déplacer vers la blessure
pour empêcher une infection.
Les fibroblastes ne se
déplaceront pas, mais vont réagir en produisant des
facteurs de croissance pour que le tissu blessé se
comble avec de nouvelles
cellules.
Une même molécule de signalisation (épinéphrine ici) peut aussi agir différemment selon la cellule touchée
SURVIE
DIVISION
DIFFERENCIATION
MORT
Les signaux transduits (transmis) d’une cellule à l’autre peuvent avoir des
conséquences très différentes
Problème: comment transmettre un signal dans une cellule alors que la membrane
plasmique est étanche aux molécules hydrophiles ?
Fonctions de la membrane plasmique
Maintien d’une haute concentration de matériaux intracellulaires
Maintien hors de la cellule de composants toxiques
Contrôle du mouvement des matériaux dans et hors de la cellule
Permet à la cellule de “sentir” et de réagir àson environnement extracellulaire
Réponses aux SIGNAUX
Les ligands hydrophiles se lient sur un récepteur
de surface cellulaire
Les ligands hydrophobes traversent la membrane
et se lient à des
récepteurs cytoplasmiques
Deux solutions selon le ligand
Types de ligands induisant des cascades de transduction
Hormones stéroïdes(hydrophobes)
Facteurs de croissance, cytokines (protéines solubles) Hormones non-stéroïdes(dérivés d’acides aminés)
Contacts entre récepteurs membranaires
Contact entre un récepteur membranaireet la matriceextracellulaire
Hormone stéroïde
InterféronsInterleukinesEGF, PDGFTNFEpinéphrine
Adhésion focale(intégrines, FAK)
TCR/CMH
cellule endocrinienne
courant sanguin
cellule cible
hormone
ENDOCRINE
cellule envoyant le signal
cellule cible
médiateurlocal
DÉPENDANT DU CONTACT
cellule envoyant un signal
cellule cible
molécule signalliée à la membrane
PARACRINE
AUTOCRINE
Origine du ligand
LES RECEPTEURS MEMBRANAIRES
Ligand
Récepteur
Molécules de
transduction
cibles
cellulaires
La transduction de signal
Récepteurs recrutant des effecteurs possédant l’activité enzymatique (récepteurs couplés aux protéines G)
Récepteurs ayant une activité enzymatique intrinsèque (récepteurs des hormones stéroïdes, récepteurs des facteurs de croissance)
Transduction de signal : les réponses cellulaires sont multiples
Modification Modification Modificationdu métabolisme d’expression de la forme des cellules
des gènes ou de leur mouvement
Le signal transduit peut amplifier une
réponse cellulaire
(activation d’enzymes par exemple)
La plupart des cascades de signalisation implique des protéines phosphorylées
Distribution des groupements
phosphates sur les phosphoprotéines
P-Tyr
P-Thr
P-Ser
Le génome humain a la capacité de coder 2000 kinases et 300 phosphatases différentes
Les protéines sont phosphorylées par des kinases et dé-phosphorylées par des phosphatases
Protein OH + ATP Protein O P
O
O−
O−
+ ADP
Pi H2O
Protein Kinase
Protein Phosphatase
Plus de 500 kinases différentes dans une cellule de mammifère
IMPORTANT : la phosphorylation peut avoir des effets activateurs ou inhibiteurs sur
l’activité selon la protéine considérée
Le signal peut modifier certaines molécules (récepteurs ou protéines intracellulaires associées)
Cascade d'amplification
Les P-Tyr sur les récepteurs sont des sites de recrutement de protéines cytoplasmiques
Comment détecter la phosphorylation des protéines ?
Utilisation d’anticorps spécifiques
Erk-P
Erk
facteur de croissance
(FC)
Erk Erk-P
-FC +FC
L'anti-P-Erk reconnaît spécifiquement le résidu Serine phosphorylé dans la protéine Erk suite à l'activation de la cascade de signalisation
Ligand RécepteurTransmission Transduction
Interférons(protéines solubles)
Plutôt paracrine
Membranairesans activité enzymatique
JAK/STAT
Epinéphrine(dérivé Aa) Endocrine
Membranairesans activité enzymatique
Protéines G (hétérotrimériques), AMPc
EGF, PDGF(protéines solubles)
Plutôt paracrine
Membranaireavec activité enzymatique
Petite protéine G (ras), MAPK
TCR/CMH(récepteursmembranaires)
Contact Membranairesans activité enzymatique
Petite protéine G (ras), MAPK
FasL(protéines solubles)
Plutôt paracrine
Membranairesans activité enzymatique
Protéines à domaine de mort, caspases
Hormones stéroïdes(derivés cholestérol)
Endocrine Cytoplasmiqueà activité transcriptionnelle
Transduction de signal
modulée par les hormones stéroïdes
Hormones stéroïdes
• Glucocorticoïdes
• Mineralocorticoïdes
• Oestrogenes
• Androgenes
• Vitamine D
• Hormones Thyroïdiennes
• Acide Rétinoïque
Les hormones stéroïdes sont des dérivés du cholestérol et sont solubles dans la membrane plasmique
Fonctions des glucocorticoïdes (Cortisol)
• Réguler le taux de glucose
• Maintenir le volume sanguin constant
Fonctions des hormones thyroïdiennes (TH)• Maintenir la pression sanguine
• Réguler la croissance cellulaire
• Participer au développement du système nerveux
• Participation dans la reproduction
Ces hormones diffusent via le sang. Selon les cellules réceptrices, les réponses
cellulaires seront très différentes
Les hormones stéroïdes hydrophobes
peuvent traverser la
membrane plasmique
Elles se lient à un récepteur cytoplasmique
Le couple récepteur/hormone peut alors passer au noyau
Liaison de
l’hormone
42-94% homologie
15-57%
homologie
Les récepteurs des hormones stéroïdes
ont des motifs conservés
Hormonesteroïde
Récepteur activé
hsp90
TATA boxHRE
Espace extracellulaire
Cytoplasme
Noyau
Récepteur inactif
Coactivateurs
Récepteur inactif Récepteur actif
hsp90
La liaison de l’hormone sur son récepteur modifie son repliement. Le récepteur est alors capable de se lier à l’ADN sur les régions promotrices
des gènes activés par les hormones
Les hormones stéroïdes ont un effet direct sur
l’expression de
certains gènes
Les produits de ces gènes de réponse primaire peuvent ensuite agir sur d’autres gènes (réponse secondaire)
Selon la cellule considérée, le panel de gènes induits (réponse primaire ou secondaire) sera différent selon :
La méthylation ou non des gènes selon l’état de différenciation des cellules
L’existence ou non, l’activation ou pas des co-activateurs transcriptionnels
Transduction de signal
modulée par l’interféron gamma
Transduction de signal par l’interféron gamma (IFNγγγγ)
Cette cytokine est produite par certaines cellules immunitaires au cours d’une infection virale ou bactérienne
Le contact entre une cellule et l’IFNγγγγ active l’expression de plus d’une centaine de gènes
L’interféron est produit par les cellules infectées par un virus.
Il protège ensuite les cellules non-infectées (interférence)
Expression de différents gènes en réponseà une induction par l’ IFNγγγγ
Analyse par northern blot
IFNγγγγ (unités/ml) 0 50 100 200
TATARapporteur ++
-
++ ++
Expression du gène rapporteur
TATARapporteur
TATARapporteur
TATARapporteur
-IFNγγγγ +IFNγγγγ
++++
-
+ ++
GAS
Réponse à l’IFNγγγγ Expression constitutive
Tous les gènes inductibles par l’IFNγγγγ contiennent un motif GAS
Analyse par retard sur gel des protéines associées à la séquence GAS
GAS
- + IFNγγγγ
Séquence GAS : TTN5AA
Sélection de mutants ayant perdu la réponse à l’interféron
Comment identifier les molécules impliquées dans la transduction de signal de l’IFNγγγγ ?
Mutagénèse
Transfection d’ADN et sélection de transfectants dans lesquels la réponse à l’IFN a été restaurée
IFN-R chaine alpha
IFN-R chaine beta
JAK1 JAK2 STAT-1
Identification de 5 molécules
STAT-1 total
STAT-1 P-tyr
STAT-1 est phosphorylé sur un résidu tyrosine en réponse à l’IFN
IFNγγγγ - +
Retard sur gel (supershift) :STAT-1 est associée à la séquence GAS
Dimérisation du récepteur de l’IFNγγγγ
Trans-phosphorylation de JAK-1 et JAK-2 (P-Tyr)
Liaison de l’IFNγγγγ
Les JAKs phosphorylent le récepteur (P-Tyr), créant le site de recrutement de STAT-1
Les JAKs phosphorylent STAT-1 (P-ser)
Homodimérisation de STAT-1 phosphorylé
Translocation nucléaire de STAT-1
Transcription des gènes de réponse contenant le motif GAS
Activation complète de STAT-1
20 min après addition d’IFN, STAT revient dans le cytoplasme
1 minute après addition d’IFN, STAT est lié à la séquence GAS
Import nucléaire de GFP-STAT-1
Cellule non traitée Induction 20 min à l’IFN
Induction 20 min à l’IFN
STAT-1 sauvage
STAT-1 muté dans le NLS
Retro-contrôle de la transduction
Elimination des cytokines du milieu extracellulaire (élimination par leur captation, dégradation ou par des récepteurs solubles qui sont éliminés)
SOCS : suppressor of cytokine signalling (famille de protéines). Les SOCS sont induites par les cytokines. Ce sont des inhibitrices de kinase.
Certaines vont inhiber l'action des JAK.
D'autres connectent le récepteur au système ubiquitine-protéasome, permettant la dégradation des récepteurs.
Le même mécanisme existe pour de nombreuses autres cytokines comme l’interleukine 4
Transduction de signal
modulée par l’épinéphrine
Cascade de signalisation de l’épinéphrine dans le foie :
Conséquence biologique : libération de glucose à partir de glycogène
La cascade active l’enzyme permettant cette dégradation (glycogène phosphorylase)
Epinéphrine (rôle dans le foie)
Glycogène phosphorylase
Cascade de
signalisation
de l’épinéphrine
= amplification
Structure du récepteur de l’épinéphrine
Liaison de
l’épinéphrine
Ce récepteur n’a pas d’activité enzymatique et doit s’associer avec une protéine Gpour transduireun signal
La sous-unité αααα de la protéine G s’associe au récepteur
Les protéines G classiques sont hétérotrimériques (alpha, beta et gamma).
Alpha et gamma ont des extrémités lipidiques qui leur permettent d'être ancrées dans la membrane.
Lors de la liaison du récepteur et de l'hormone, la G protéine est recrutée. C'est alpha qui se lie au récepteur sous sa forme GDP.
La liaison au récepteur active le relargage du GDP et la liaison du GTP.
Activation de la protéine G, puis de son effecteur
L’effecteur activé par l’épinéphrine (via les protéines G) est
l’Adenylyl Cyclase (ou adenylate cyclase)
AMP cyclique
L’AMPcyclique active la protéine kinase A
PKAactive
La liaison d’AMPc sur la PKA (protéine kinase A) permetla libération dessous-unités régulatrices(inhibitrices) et l’activationde l’enzyme
La PKA est une sérine-thréonine kinase
Hydrolyse du glycogène induite par
l’épinephrine
PKA
Phosphorylase kinase
Glycogène phosphorylase
Glycogène
Glucose
Bilan de l’amplification due à l’activation de la cascade
La PKA peut aussi passer dans le noyau et phosphoryler CREB, un facteur de transcription
Enzymes de synthèse du glucose
PKA active
Hydrolyse du glycogène(activation de la phosphorylase)
Phosphorylation de CREBet activation de gènes de réponse à l’AMPc(gènes impliqués dans la neo-synthèse de glucose)
Phosphorylation (inhibition)de la glycogène synthase
Selon le type cellulaire, l’épinéphrine a des effets différents pour un même signal AMPc-dépendant
FOIE ADIPOCYTES
Hydrolyse du glycogène
Hydrolyse du tri-acylglycerol
FOIEAdénylate cyclase
Hydrolyse du glycogène
MUSCLEPhospholipase C
Contraction musculaire
Selon le type cellulaire, l’épinéphrine a des effets différents en utilisant des récepteurs différents et une
signalisation différente
La norépinéphrine se lie sur un récepteur alpha-adrénergique qui a pour effecteur la phospholipase C
La phospholipase C produit des messagers
secondaires
PIP2
DAG InsP3 (ou IP3)
DAG : membranaire
InsP3 ou IP3 : cytoplasmique
xx
active
Gp Protein Stimulation of Phospholipase C
Phospholipase C active
L’IP3 se lie à un récepteur localisé en surface du reticulum
Conséquence : sortie du calcium du RE dans le cytoplasme
Ca++
La libération de calcium par le reticulum active la calmoduline qui active à son tour plusieurs enzymes
La caldesmone est activée
Contraction musculaire
La libération de calcium par le reticulum active la PKC (protéine kinase C) qui active à son tour plusieurs protéines
NFκκκκBinactif
IkB
Noyau
P
Activationtranscriptionnelle
PKC activée
Dégradation par le
protéasome
NFκκκκBactif
Retro-contrôles de la cascade :
Cette inhibition se produit à plusieurs niveaux:
- Diminution du taux d'hormone disponible
- Activation de phosphatases qui déphosphorylent les kinases et donc les inhibent.
- Activation d'AMPc phosphodiestérases qui dégradent l'AMPc.
- Arrestine qui se lie au récepteur, l'empêche de lier les protéines G, et l’entraine vers des vésicules d'endocytose
Comment se fait la spécificité de la réponse cellulaire et le choix de l'effecteur par la protéine G ?
Il y a de nombreuses sous-unités de protéines G, dont l'expression est spécifique de tissu pour certaines.
Elles ont des différentiels de reconnaissance des récepteurs et des effecteurs.
20 sous-unités G alpha5 sous-unités G beta
12 sous-unités G gamma
Il y a en plus des protéines adaptatrices (AKAP) qui connectent une G protéine particulière sur un effecteur spécifique.
Transduction de signal
modulée par les facteurs
de croissance
Les plaquettes sanguines émettent du PDGF (Platelet-derived Growth Factor) pour stimuler
la croissance des cellules endothéliales vasculaires
et pour remplacer les cellules endommagées
Forte destruction cellulaire suite aux UV
FGF
Les fibroblastes dermiques synthétisent du FGF
pour activer la prolifération
des kératinocytes des couches profondes
de l’épiderme
Le FGF (Fibroblast Growth Factor) est un facteur de
croissance produit par les fibroblastes localisés dans
la peau
PDGFou
FGF
PDGF-Rou
FGF-R
Les récepteurs des hormones de croissance ont une activité enzymatique : après liaison du ligand, les
récepteurs se phosphorylent sur des résidus tyrosine
Le récepteur de l’EGF phosphorylé devient
le site de recrutement d’unepetite G protéine monomérique
RAS
RAF
MEK-1
Erk1,2
Elk, AP1
La cascade de transduction impliqueensuite une chaine de kinases à
sérine/thréonine, les protéines de la famille des MAPK (MAP kinases)
Gènes régulés via les facteurs de croissance
Proto-oncogènes cellulaires : c-myc, c-fos, c-jun
(activateurs transcriptionnels)
Protéines modulant la réplication : cycline D1(activation de la mitose)
Protéines pro-apoptotiques : p53 Fasanti-apoptotiques : bcl-2
(protection contre la mort cellulaire)
Dans les cellules cancéreuses,on trouvera des mutations dans les cascades de signalisation aux facteurs de croissance
Gliome : PDGF-RCancer du sein : erb-BCancer de l’ovaire : HER-2Cancer de la thyroïde : RET
Dans des cascades de transduction de signal
30 % des tumeurs sont mutées pour RAS
Dans des proto-oncogènes
Leucémies, neuroblastomeCancers du sein, de l’estomac, du poumon
Myc
Mélanocyte Mélanomes
P-Erk
Erk-2
c-Fos
RAS
RAF
MEK-1
Erk1,2
AP1 (c-fos/c-jun/....)
Mutés dans plus de 80% des mélanomes
Dans les mélanomes, ces kinases sont constamment activées suite à une mutation dans cette cascade : les cellules tumorales sont soumises à des signaux
favorisant leur prolifération
Transduction de signal
modulée lors de l’apoptose
L’apoptose est essentielle dans différents mécanismes
APOPTOSE
Lymphocyte Tcytotoxique
Fas/FasL
Granzyme
Mutation dans l’ADN
Apoptose via Fas (élimination de lymphocytes T trop actifs par exemple)
FasL Fas
Mort cellulaire programmée
Lymphocyte T cytotoxique
Elimination par les lymphocytes T cytotoxiques des cellules tumorales ou des cellules infectées par des virus ou des bactéries
Emission de granules de granzyme
- Détection des anomalies- Arrêt du cycle cellulaire
- Tentatives de réparation de l’ADNMUTATION
Une cellule ayant acquis des mutations et n’ayant pu les réparer entrera en apoptose
Cellulenormale
Celluleapoptotique
Corps apoptotique
Cascade d’événementsau cours de l’apoptose
La cellule (noyau
et cytoplasme)
se condense
L’ADN se fragmente
La cellule forme
des corps apoptotiques
Les corps apoptotiques
sont phagocytés par les
cellules immunitaires
Condensation de la chromatine
Evénement détecté au cours de l’apoptose : fragmentation de l’ADN
Ladderd’ADN
Intensité de coloration àl’iodure de propidium
Tai
lled
es c
ellu
les
9%
Cellule normale
43%
Cellule apoptotique
Autre événement détecté : les cellules en apoptose deviennent
perméables à l’iodure de propidium
L’apoptose (mort cellulaire programmée) implique des CASPASES
Les caspases sont des protéases existant sous forme inactive dans la cellule (pro-caspase)
Leur activation implique leur clivage
C: cystéine (dans le site actif)
Asp: aspartate (Aa site de coupure)
Ase: enzyme
Pro-caspase 3
Caspase 3 clivée et activée
Activation des caspasespar clivage
Apoptose via Fas
Apoptose via Fas
Dégradation de protéines par les caspases
Cytosquelettedésorganisé
Inhibition de la réplication
Inhibition de la
réparation de l’ADN
FRAGMENTATION DE L’ADN
La caspase 9 digère certaines protéines des pores nucléaires
La caspase 3 peut franchir les pores
Dégradation de ICAD (inhibiteur de CAD)
Activation de CAD (endonucléase)
Dégradation de l’ADN chromosomique
FRAGMENTATION DE L’ADN
Voie mitochondriale de l’apoptose
Activée par le granzyme ou par une accumulation de mutations dans l’ADN qui n’ont pu être réparées
Elle implique une famille de protéines(bcl-2, bid, bad, bax, etc...) qui module le relargage de cytochrome c de la mitochondrie
cytochrome c
mitochondrie
Apaf-1Apaf-1
Apaf-1
caspase 9caspase 9
caspase 9
“apoptosome”apoptose
caspase 3
Apaf-1
caspase 9
Clivage de Bid
Caspase 8activée
Granzyme B
Bad ou bax
Echec de la réparationApoptose (voie mitochondriale)
p53 active la transcription de protéines pro-apoptotiques et la mort mitochondriale est initiée
Inhibition de l’apoptose
Bcl-2Bcl-X
IAP (famille)XIAP (le plus actif de la famille)
Agissent à plusieurs niveaux de la cascade
Activation de transcription:
- bcl-2
- XIAP
Inhibition de Bad par phosphorylation
Réduction d’expression de:
- Fas
-p53 (activateur de la transcription de Bax)
Inhibition de l’apoptose par les récepteurs des facteurs de croissance
Les cellules tumorales peuvent devenir résistantes à l’apoptose
Activation des cascades de signalisation des facteurs de croissance (anti-apoptotique)
Réduction d’expression du récepteur Fas
Sur-expression des molécules anti-apoptotiques (exemple: Bcl-2 est sur-exprimé dans certaines lymphomes)