Comment le Transforming Growth Factor bêta 1 contrôle-t-il le

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Comment le Transforming Growth Factor bêta 1 contrôle-t-il le développement de
maladies auto-immunes?
Comprendre comment notre système immunitaire est régulé est essentiel. Des déficiences dans cette
régulation entraîne des troubles graves, parmi eux des maladies dites auto-immunes telles que le
diabète de type I, la sclérose en plaque, les myocardites, thyroïdites, ou encore la polyarthrite
rhumatoïde. Ces maladies reposent sur un même mécanisme de base : une perte de la tolérance au
soi.
Le Transforming Growth Factor bêta (TGF-b) est une cytokine polypeptidique dont la sécrétion est
ubiquitaire. Les trois formes, TGF-bêta 1, 2 et 3 servent de régulateurs positifs et négatifs aux
programmes de différenciations et de proliférations de nombreux types cellulaires. En se liant à leur
récepteur commun, les trois isoformes du TGF-bêta induisent l’activité kinase du domaine
intracellulaire de leur récepteur TGFbêta-RII qui, en retour, phosphoryle le domaine kinase la sousunité TGF-bêtaRI. La phosphorylation de cette dernière facilite la régulation de gènes « Smaddépendants » et active d’autres voies de signalisation indépendamment des facteurs de transcription
Smad. Au sein du système immunitaire, le TGF-bêta1 est prévalant et joue un rôle crucial dans la
régulation de la réponse immunitaire. Des souris déficientes en TGF-bêta1 développent des
pathologies auto-immunes sévères, touchant différents organes (pancréas, foie, cœur), responsables
de la mort des animaux dès 4 trois semaines de vie. Du fait des effets multiples du TGF-bêta sur une
grande variété de tissus et, de la large distribution, au sein mais aussi en dehors du système
immunitaire, du récepteur au TGF-bêta, la compréhension des mécanismes cellulaires responsables
des graves troubles auto-immuns observés chez ces animaux déficients en TGF-bêta1 était très
difficile.
Julien Marie et son équipe ont entrepris de déterminer les cellules cibles de l’effet immuno-régulateur
du TGF-bêta. Les lymphocytes T sont généralement impliqués dans un grand nombre de maladies
auto-immunes. Par ailleurs, in vitro, la privation des lymphocytes T en TGF-bêta conduit à leur
prolifération. Cette population lymphocytaire est donc apparue aux chercheurs, en toute logique,
comme une cible potentielle des effets immuno-régulateurs du TGF-bêta sur le contrôle des maladies
auto-immunes. Afin d’adresser le rôle du TGF-bêta spécifiquement sur la biologie des lymphocytes T,
les chercheurs ont généré des souris dont uniquement les lymphocytes T (CD4 et CD8) sont
déficients en TGF-bêtaRII. Privés ainsi de signaux émis par le TGF-bêta les lymphocytes T
deviennent spontanément des cellules capables d’endommager de très nombreux organes comme le
pancréas, le foie, le cœur, la moelle épinière etc, conduisant à de nombreuses maladie auto-imunes
et à la mort des animaux des 4 semaines de vie. Ainsi la simple ablation de la voie de signalisation du
TGF-bêta dans les lymphocytes T induit des symptômes similaires à la privation de la cytokine elle
même, révélant l’activité régulatrice majeur du TGF-B au niveau des lymphocytes T. Si leur
développement au sein du thymus semble non ou peu affecté, en périphérie les lymphocytes T privés
de la voie de signalisation du TGF-bêta s’engage spontanément mais spécifiquement dans un
programme de différenciation cytotoxique et pro-inflammatoire (Granzyme A+ et B+, Lamp1+,
FasLHigh, IFN-ghigh, TNF-a high) à l’origine de la destruction de très nombreux organes.
Cette perte de tolérance au soi a conduit Julien Marie à analyser les compartiments des lymphocytes
T régulateurs CD4+ CD25+ (Treg) et NKT connus pour jouer un rôle majeur dans la régulation de
nombreuses maladies auto-immune. Les Treg sont caractérisés par l’expression du facteur de
transcription Foxp3 qui contrôle leur différenciation et fonction. Les cellules NKT, quant à elles,
expriment des marqueurs de cellules « natural Killer » (NK) mais également des lymphocytes T dont
un récepteur T présentant la particularité de reconnaître des antigènes lipidiques. Si le développement
thymique des Treg semble normal, aucune cellule NKT ne se développe en l’absence de signalisation
via le TGF-bêta. Par ailleurs, à la périphérie, les cellules régulatrices Foxp3+ sont quasi inexistantes.
Ainsi, le TGF bêta joue une rôle fondamental dans le développement thymique des cellules NKT et
dans
la
maintenance
à
la
périphérie
des
Treg.
Une analyse plus fine des populations lymphocytaires T a permis aux chercheurs de révéler la
présence de cellules exprimant des marqueurs de cellules NK et un récepteur T qui, contrairement au
cellules NKT conventionnelles, reconnaît des antigènes protéiques. Par analogie, ils ont qualifié cette
population de ncNKT pour non-conventionnelle NKT. Les ncNKT représentent 20% des lymphocytes
T spléniques chez les animaux déficients en TGF-bêtaRII au niveau de leur lymphocyte T, alors que
d’ordinaire ils ne constituent que 1 à 2% des lymphocytes T. Les cellules ncNKT, semblent constituer
un stade final de différenciation lymphocytaire T, expriment de très fort niveau de cytokine proinflammatoire et présentent une activité cytotoxique exacerbée contre les cellules du soi.
En contrôlant le programme de différenciation cytotoxique des lymphocytes T, et le développement de
1
deux acteurs majeurs de la régulation de la réponse immunitaire (Treg et NKT), le TGF-bêta permet
de maintenir un état de tolérance au soi et donc de prévenir du développement de maladies autoimmunes.
Marie JC, Liggitt D, Rudensky AY. Cellular Mechanisms of Fatal Early-Onset Autoimmunity in Mice
with the T Cell-Specific Targeting of Transforming Growth Factor-beta Receptor.
Immunity
2006
Sep
;
25
(3)
:
441-54.
Contact
Unité Inserm 404, Lyon
:
Julien
Marie
Titre du document / Document title
ROLE D'UN INOSITOLPHOSPHATE GLYCANNE DANS LE MECANISME D'ACTION DU TRANSFORMING
GROWTH FACTOR BETA 1 CHEZ LES CHONDROCYTES ARTICULAIRES = ROLE OF AN
INOSITOLPHOSPHATE GLYCAN IN TRANSFORMING GROWTH FACTOR-BETA[1] SIGNALLING PATHWAYS
IN ARTICULAR CHONDROCYTES
Auteur(s) / Author(s)
Bogdanowicz Patrick ; Pujol Jean-Pierre (Directeur de thèse) ;
Affiliation(s) du ou des auteurs / Author(s) Affiliation(s)
Université de Caen, Caen, FRANCE (Université de soutenance)
Résumé / Abstract
Le Transforming Growth Factor-béta[1] (TGF-béta[1]) est un facteur de croissance modulant la prolifération
cellulaire et la synthèse des composants de la matrice extracellulaire. Les signaux de transduction impliqués dans
ces différents effets sont très étudiés mais restent encore mal définis. Il semble qu'ils puissent varier en fonction
du type cellulaire et des conditions expérimentales utilisées. Le but de notre travail a été d'étudier le rôle d'un
inositolphosphate glycanne (IPG) dans les mécanismes de transduction du TGF-béta[1] dans les chondrocytes
articulaires de lapin (CAL) où ce facteur stimule la prolifération cellulaire. L'étude du rôle des récepteurs du TGFbéta nous a conduit à étudier également cette voie de transduction dans une lignée de cellules épithéliales de
poumon de vison (Mv[1]Lu) où le TGF-béta[1] inhibe très fortement la prolifération cellulaire. Dans ces deux types
cellulaires, nos résultats mettent en évidence la présence de GPI qui semble être le précurseur membranaire de
l'IPG libéré après traitement par le TGF-béta[1]. Ce pool d'IPG est constitué de différentes formes anioniques, le
TGF-béta[1] stimulant la libération de la forme la plus anionique. La formation du complexe hétéromérique de
récepteurs I et II du TGF-béta est indispensable à cette stimulation. Dans ces deux types cellulaires, cet IPG
mime les effets du TGF-béta[1] sur la prolifération. Dans les cellules Mv[1]Lu, la présence du récepteur de type I
du TGF-béta ne semble pas être nécessaire à l'inhibition de la prolifération induite par l'IPG. Par ailleurs, nous
montrons que l'IPG ne semble pas contrôler la régulation de l'activité transcriptionnelle des gènes de la matrice
extracellulaire. Nos résultats mettent également en évidence, chez les CAL, une stimulation de l'activité MAP
kinase par le TGF-béta[1] et l'IPG. L'ensemble de ces résultats suggère que les effets du TGF-béta[1] sur la
régulation de la croissance et sur la synthèse des protéines matricielles impliquent deux voies de signalisation
différentes, l'IPG n'étant impliqué que dans la régulation de la prolifération cellulaire. De plus, la régulation de
l'activité des MAP kinases pourrait être une étape clef dans le contrôle de la prolifération cellulaire par le TGFbéta[1] et l'IPG.
Source / Source
Travaux Universitaires - Thèse nouveau doctorat
1997, [Note(s) : 163] (290 ref.) (Année de soutenance : 1997) (No : 97 CAEN 2023)
Langue / Language
Français ;
Mots-clés anglais / English Keywords
Rabbit ; Chondrocyte ; Cartilage ; Transforming growth factor β1 ; Cell proliferation ; Signal transduction ; Inositol
phosphate ; Glycan ; Biological receptor ; Regulation(control) ; Phosphatidylinositol ; Lagomorpha ; Mammalia ;
Vertebrata ;
Mots-clés français / French Keywords
Lapin ; Chondrocyte ; Cartilage ; Facteur croissance transformant β1 ; Multiplication cellulaire ; Transduction
signal ; Inositol phosphate ; Glycane ; Récepteur biologique ; Régulation ; Phosphatidylinositol ; Lagomorpha ;
Mammalia ; Verteb
http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6W8H-4BK14RTC&_user=1496867&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000053175
&_version=1&_urlVersion=0&_userid=1496867&md5=174c72b0ca8dc7b89c134e2a01c7a4e
1
Transforming growth factor-βs : signalisation et rôles physiopathologiquesTransforming
growth factor-betas: smad signaling and roles in physiopathology
2
D. Javelaud and A. Mauviel
,
Inserm U532, institut de recherche sur la peau, université Paris-VII, hôpital Saint-Louis, 1,
avenue Claude-Vellefaux, 75010, Paris, France
Reçu le: 20 Octobre 2003; accepté le: 27 Octobre 2003. ; Available online 28 January 2004.
Résumé
Depuis sa découverte au début des années 1980, le Transforming Growth Factor-β (TGF-β)
est apparu comme un facteur de croissance impliqué dans des processus physiologiques
essentiels comme le développement embryonnaire, la réparation tissulaire, la différenciation
et le contrôle de la croissance cellulaire. Les expériences d’invalidation des allèles codant
pour les trois isoformes différentes du TGF-β chez la souris ont montré leur rôle majeur dans
la régulation de l’inflammation et la réparation tissulaire. Le TGF-β est aussi impliqué dans
certaines pathologies humaines, comme la fibrose tissulaire et la carcinogenèse, où il peut
exercer à la fois un rôle de suppresseur de tumeur et des activités pro-oncogéniques, selon le
stade de développement de la tumeur. La réponse cellulaire au TGF-β est initiée par sa
fixation à des récepteurs membranaires de type sérine–thréonine kinase qui activent en aval
les facteurs de transcription de la famille Smad.
Abstract
Transforming growth factor-β (TGF-β) family members are multifunctional peptide growth
factors that regulate cell growth, differentiation, extracellular matrix production and cell
migration and embryonic development. Knock-out experiments for the three mammalian
isoforms of TGF-β in mice have demonstrated their importance in regulating inflammation
and tissue repair. Also, TGF-β has been implicated in the pathogenesis of human diseases,
including tissue fibrosis and carcinogenesis. In the latter case, it may exert both tumor
suppressor and pro-oncogenic activities depending on the stage of the tumor. Smads proteins
constitute the core components of the intracellular signaling cascade initiated by TGF-β
receptors, as they carry signals from the cell surface directly to the nucleus; where they act as
transcription factors.
Mots-clé: TGF-beta; Smad; Cancer; Fibrose; Signalisation intracellulaireMots-clé: TGFbeta; Smad; Cancer; Fibrosis; Signal transduction
3
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http://fr.wikipedia.org/wiki/Voie_de_signalisation_des_Smad
La voie de signalisation des Smad concerne les facteurs de croissance de la
famille du TGFβ permettant la transduction du signal lorsque le facteur de
croissance se lie aux récepteurs membranaires de type I et II. Les réponses
cellulaires induites par cette voie peuvent varier pour un même type cellulaire
selon le contexte cellulaire. C’est donc un système de signalisation très
dynamique.
Présentation des protéines de la famille Smad :
Les protéines Smad sont apparentées et se divisent en trois catégories :
les R-Smad : les récepteurs aux BMP vont transduire le signal par le biais
de Smad 1, 5 ou 8 et mad chez la drosophile ; les récepteurs aux TGFβ et aux
activines Smad 2 et 3 et dSmad 2 pour la drosophile ;
6
les Co-Smad (Smad 4 et 4b et Medea pour la drosophile) ;
les Anti-Smad (Smad 6 et 7 et Dad pour la drosophile).
Ces protéines possèdent toutes en commun deux domaines fortement
conservés : MH1 qui se lie à l’ADN et MH2 qui sert à la translocation du Smad
vers le noyau. Ces deux domaines sont séparés par un linker, dont la séquence
est très variable. Les R-Smad possèdent en plus la partie carboxy-terminale une
séquence SSxS qui est phosphorylée par le récepteur.
Ce qui peut se résumer de la manière suivante :
Type de Smad
NH2 variable MH1 Linnker MH2 SSxS C term
R-Smad (BMP)
non
oui
oui
oui
oui
R-Smad (TGF/activine)
non
oui
oui
oui
oui
Co-Smad
oui
oui
oui
oui
non
Anti-Smad
oui
oui
oui
oui
non
Fonctionnement de la voie de signalisation
[modifier]
L’activation de la voie des Smad :
Il y a à la surface des cellules des récepteurs de type I, de type II et de type III ce
dernier étant encore appelé β glycan. La spécificité ligand récepteur n’est pas très
forte du fait que les facteurs de croissance de la famille du TGFβ ont une action
paracrine ou autocrine car l’action étant locale (exception faite pour les inhibines),
les concentrations en substances sont faibles à l’échelle de l’organisme.
Le ligand de la famille du TGF se fixe sur les récepteurs de type II et III ensemble.
Ce complexe peut alors s’associer au récepteur de type I et phosphoryle le
récepteur de type I dans sa partie GS. Ce dernier devient alors actif et capable
d’activer les R-Smad.
7
Quand le récepteur de type I activé peut alors phosphoryler le R-Smad
correspondant dans sa partie SSxS (C-term). Cette phosphorylation empêche
l’interaction entre les parties MH1 et 2 du R-Smad qui s’inhibent réciproquement.
Le R-Smad migre alors vers le noyau.
Au cours de cette migration vers le noyau, R-Smad activé forme un complexe
avec un Co-smad (molécule de la famille smad mais dénuée du domaine SSxS)
par le biais de leurs régions MH2. Comme l’ensemble des Co-Smad peuvent
s’associer avec l’ensemble des R-Smad, les possibilités de réponses sont
importantes.
La régulation de l’activation de la voie des Smad :
Le processus d’activation de la voie de signalisation Smad est contrôlé à la fois
positivement et négativement.
Le récepteur de type III (β glycan) a pour fonction d’accroître l’affinité entre le
récepteur de type II et le ligand. De même R-Smad peut être associé à un
Facteur appelé SARA qui augmente l’affinité de R-Smad pour le complexe ligand
récepteurs.
A contrario l’inhibine en masquant le site de fixation du ligand sur les récepteurs,
les facteurs protéiques FKBP12 (masquant le domaine GS sur les récepteurs de
type I) et BAMBI (formant des dimères inactifs avec le récepteur de type I)
régulent négativement l’activation de la voie des Smad. De manière identique,
Smad 6 constitue un leurre pour Smad 4 ce qui diminue sa profusion dans le
cytoplasme et Smad 7 bloque les récepteurs de type I activés. ERK kinase
(activée par Ras) phosphoryle le linker des R-Smad ce qui empêche
l’accumulation nucléaire des complexes R-Smad Co-Smad et enfin Smurf I
(ubiquitine ligase) régule le niveau cytoplasmique de Smad 1. L’ubiquitinylation
de Smad 2 est, quant à elle, réalisée au niveau du noyau.
La spécificité de la réponse est déterminée lors de l’activation :
Il y a deux types de récepteurs de type I qui reconnaissent deux types de RSmad contrôlant des gènes différents permettant de produire des réponses
cellulaires très différentes.
8
L’origine de cette différence se trouve au niveau des séquences d’acides aminés
de la boucle L45 du récepteur de type I et de la boucle L3 du MH2 chez R-Smad.
Les fonctions de la liaison à l’ADN des Smad :
Une fois la liaison ADN complexe Smad établie, la transcription du gène est
activée, donc la liaison à l’ADN est une des étapes clé qui détermine quels gènes
seront activés.
R-Smad et Co-Smad peuvent se lier de manière optimale à la séquence CAGAC,
même si la séquence AGAC est suffisante. Ces séquences s’appellent
« éléments de liaison des Smad » ou SBE pour Smad binding element.
Néanmoins la présence de cet élément n’est pas indispensable à la fixation du
complexe et la séquence elle-même peut être modifiée.
D’autre part le contact de toutes les sous-unités du complexe n’est pas
indispensable à l’activation de la transcription, d’ailleurs certains isoformes de
Smad2 ne possèdent pas de site de liaison à l’ADN.
Les SBE (éléments de liaison des Smad) sont des séquences courtes et donc
peu spécifiques, on en trouve une tous les 1024 paires de bases, si elles sont
localisées au hasard sur l’ADN. On sait aussi que le complexe Smad est
incapable d’activer la transcription par du SBE seul pour plusieurs raisons :
1. la constant de dissociation entre la séquence et le complexe est trop faible
pour que ce dernier puisse se lier au SBE in vivo ;
2. le SBE est valable pour Smad1, 3 et 4, il n’est donc pas assez spécifique pour
expliquer la variété des réponses observées.
On en conclue qu’il y a probablement d’autres séquences d’ADN qui permettent
une liaison plus de plus haute affinité et d’une plus grande spécificité.
Le choix de partenaires de liaison détermine le choix des gènes activés :
En s’associant avec des partenaires de liaison à l’ADN, les Smad forment des
complexes spécifiques et peuvent ainsi s’engager dans des interactions
spécifiques et sélectives et les domaines de liaison des Smad et de leurs
9
partenaires peuvent agir en synergie, à condition que les séquences de liaison se
trouvent à une distance adéquate du promoteur du gène activé.
Exemple des partenaires FAST dans la voie Nodal:
FAST est un membre de la famille WH (winged-Helix) qui possèdent 3 hélices et
deux boucles qui leurs sont associées et qui par ce biais sont capables de se
fixer à l’ADN. Chez les mammifères FAST1 et 2 participent à l’activation du gène
homéotique goosecoid. Ce gène est activé par nodal et Lefty2 (deux membres de
la famille du TGFb).
FAST interagit avec les complexes Smad2-Smad4 ou Smad3-Smad4. Cette
spécificité d’interaction est due à un certain nombre de résidus de la partie MH2
de Smad2 et Smad3 dans le complexe. La présence de FAST est nécessaire
pour que le complexe Smad se lier efficacement à l’enhancer de goosecoid.
De même le complexe Smad2 ou Smad3 avec Smad4 est nécessaire pour que la transctivation
du gène à partir de l’élément de réponse à l’activine soit efficace.
http://fr.wikipedia.org/wiki/SnoN
Voie de signalisation TGF-β
[modifier]
Le TGF-β est sécrété en situation de stress ou dans un contexte inflammatoire
par les lymphocytes, les mastocytes et les macrophages. Le TGF-β est aussi
sécrété par les plaquettes.
Le TGF-β se lie à son récepteur sur la cellule cible. Le récepteur du TGF-β est un
récepteur Sérine/Thréonine kinase de type II. Suite à la liaison du TGF-β, le
récepteur de type II recrute par phosphorylation un autre récepteur
Sérine/Thréonine kinase, mais de type I cette fois. Le récepteur type I recruté se
dimérise avec le récepteur de type II et phosphoryle les protéines Smad-2 et
Smad-3. Ces deux effecteurs se dimérisent pour ensuite formé un complexe avec
la protéine co-Smad-4. Le complexe en question est ensuite transloqué dans le
noyau. Le facteur de transcription TFE-3 se joint au complexe qui se lie ensuite à
l’ADN. Le complexe des Smads se lie sur le motif SBE de l’ADN, tandis que le
10
facteur de transcription TFE-3 se lie au motif E-box de l’ADN. Finalement, il y a
transcription des gènes ciblés par la voie de signalisation TGF-β.
Rôle de la voie de signalisation TGF-β
[modifier]
Les gènes transcrits par la voie de signalisation TGF-β activent la voie des MAP
kinases et de ERK, en plus d’effectuer, entre autre, les actions suivantes. Tout
d’abords, il y a dégradation de Ski/SnoN par la voie du protéasome via les
ubiquitines ligases Anaphase Promoting Complex (APC) et Smurf2.
L’ubiquitination se produit sur les résidus Lys440, Lys446, Lys 449. Ainsi, il y a
augmentation de la disponibilité des Smads et amplification de la voie de
signalisation. Ensuite, il y a activation des protéines p21 et p15, ce qui a pour
effet d’arrêter le cycle cellulaire en phase G1. Ainsi, la cellule est disposée à la
différentiaton cellulaire. De plus, il y aura induction de l’apoptose. Finalement,
dans un délai de 2 heures après l’activation de la voie de signalisation, il y aura
expression de Ski/SnoN et régulation négative de la voie de signalisation TGF-β.
http://www.biocarta.com/pathfiles/h_tgfbPathway.asp
TGF beta signaling pathway
11
TGF-beta regulates growth and proliferation of cells, blocking growth of many cell types. The TGF-beta receptor
includes type 1 and type 2 subunits that are serine-threonine kinases and that signal through the SMAD family of
transcriptional regulators. Defects in TGF-beta signaling, includes mutation in SMADs, have been associated with
cancer in humans. Prior to activation, receptor regulated SMADs are anchored to the cell membrane by factors like
SARA (SMAD Anchor for Receptor Activation) that brings the SMADs into proximity of the TGF receptor kinases. Binding
of TGF induces phosphorylation and activation of the TGF-beta R1 receptor by the TGF-beta R2 receptor. The activated
TGF-beta R1 phosphorylates SMAD2 and SMAD3, which bind to the SMAD4 mediator to move into the nucleus and
form complexes that regulate transcription. SMADs regulate transcription in several ways, including binding to DNA,
interacting with other transcription factors, and interacting with transcription corepressors and coactivators like p300
and CBP. SMAD-7 represses signaling by other SMADs to down-regulate the system. Other signaling pathways like the
MAP kinase-ERK cascade are activated by TGF-beta signaling, modulate SMAD activation. SnoN also regulates TGFbeta signaling, by binding to SMADs to block transcriptional activation. TGF-beta signaling causes degradation of SnoN,
releasing SMADs to regulate transcription, and also activates expression of SnoN, to down-regulate SMAD signaling at
later times.
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