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1.1. -Introduction signalisation

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Introduction à la Signalisation Cellulaire :
grands principes et méthologie
Sandra Guilmeau
Institut Cochin
INSERM U1016, CNRS UMR-S 8104
sandra.guilmeau@inserm.fr
13 février 2019
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Indispensable dans la totalité
des fonctions biologiques normales
-
Transmission synaptique
Réponse immunitaire
Contraction musculaire
Régulations hormonales
Croissance cellulaire
Développement embryonnaire…
Si anomalies, pathologies…
-
Infections
Inflammation
Pathologies hormonales
Pathologies neurologiques
Pathologies cardiaques
Pathologies digestives
Pathologies rénales
Tumorigenèse…
Mais la signalisation qu’est ce que c’est ?
Tous les organismes doivent réagir aux changements de leur environnement et ils
le font par la signalisation cellulaire, lorsque les cellules traduisent un signal
externe par un changement interne.
Les organismes ont évolué de telle sorte que des messages similaires sont utilisés
dans toutes les formes de vie multicellulaire.
Signalisation peut être:
- Une communication intracellulaire versus entre deux cellules
- Une communication électrique versus communication chimique
Interactivité entre la cellule et l'organisme
Organisme
Communication
Cellule
Premiers messagers
- Hormones
- Cytokines
- Neurotransmetteurs
- Potentiel d’action
Homéostasie
-
Hormones
Cytokines
Neurotransmetteurs
Potentiel d’action
Réponses cellulaires
Secrétions (hormones, neurotransmetteurs,
cytokines, enzymes, anticoprs, MEC)
Contraction musculaire
Potentiel d’action
Migration/dissémination
Division
Apoptose
Signalisation cellulaire : perception et intégration
« Premier messager » =
- Molécule informative reconnue par un récepteur membranaire ou intracellulaire; cette
interaction induit un « signal intracellulaire » dans la cellule porteuse exprimant le récepteur.
- Les récepteurs et les signaux qu'ils transmettent, donnent à la cellule une représentation
symbolique permanente de son environnement.
« Transduction du signal » =
- Conversion entre fixation du messager et émission du signal intracellulaire
- Processus capital dans la vie de l'espèce, surtout chez les métazoaires dont l'Homme, chez
lequel on estime que 20% des gènes sont consacrés à sa réalisation!
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Notion de transduction du signal
Martin Rodbell
(1925-1998)
Alfred Gilman
(1941-2015)
-
Locution « transduction du signal » apparue dans le titre de 3 articles publiés en 1979
(Springer et al., Nature 280: 279; Koman et al., J Bacteriol 138: 739 ; Kenny et al., J.Immunol 122: 1278).
-
Empruntée aux physiciens qui désignent par transduction le passage d'une forme
d'énergie à une autre.
Ex: un microphone « transduit » des ondes sonores en courant électrique.
-
Généralisation dans le langage biologique après la célèbre revue de Martin Rodbell
publiée en 1980 dans le journal Nature, qui attirait l'attention sur le rôle du GTP et des
protéines liant le GTP dans les régulations métaboliques. Martin Rodbell a obtenu en 1994
le prix Nobel en Physiologie ou Médecine qu'il partagea avec Alfred Gilman pour « their
discovery of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells ».
Signalisation cellulaire
Cascade moléculaire de la signalisation cellulaire
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
se lie à
Récepteurs
active
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
entraine
Réponses cellulaires
Cascade moléculaire de la signalisation cellulaire
Bases de la signalisation:
Spécificité
Amplification
Intermittence
Intégration
1) Premiers messagers
- Molécules lipophiles: transportées par protéines spécialisées, traversent mb plasmique
- Molécules hydrophiles: transportées sous forme libre dans le sang,
nécessitent un transporteur membranaire ou un récepteur
2) Récepteurs
- Intracellulaires
- Membranaires
3) Signalisation intracellulaire des récepteurs membranaires
- Systèmes effecteurs entre le récepteur et la cible intracellulaire
- 2 grands types d'actions :
* activation d'enzymes ou de transporteurs/canaux
* activation de la transcription.
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Modes de transmission du signal
La sélectivité de l'action du premier messager est à la fois due à: (1) sa concentration (gradient), (2)
l'orientation de ce gradient, et (3) la présence de son récepteur sur ou dans la cellule (cible).
Certaines cellules peuvent entièrement ignorer la présence d'une forte concentration d'un messager, si
l'expression du récepteur de ce messager leur fait défaut.
2 types de communication par des premiers messagers sécrétés ou membranaires:
- Communication locale
- Communication à distance
Via jonctions communiquantes
(connexines, canaux…)
Echange de molécules < 2000
Via molécules d’adhérence, MEC,
cytokines membranaires
Communication juxtacrine
Communications autocrine et paracrine
Modes de transmission du signal
Communication endocrine
Communication neurocrine
Système endocrine : Communication à distance
Communication endocrine
1) Les grands systèmes endocrines
- L'axe hypothalamo-hypophysaire
- Régulation du métabolisme énergétique
- Régulation des grandes constantes (é́quilibre hydro-électrolytique, PA, volémie)
- Contrôle de la reproduction
2) Les premiers messagers : les hormones
- Molécules hydrophobes, stéroïdes
- Bioamines, peptides, protéines, glycoprotéines
3) Les récepteurs
- Récepteurs intracellulaires
- Récepteurs membranaires : récepteurs-enzymes
récepteurs couplés aux protéines G
Système nerveux: Communication locale
Communications paracrine
1) Les premiers messagers : Les neuromédiateurs
- Acides aminés (glycine, glutamate)
- Dérivés des acides aminés
* Tyrosine --> dopamine, noradrénaline, adrénaline
* Tryptophane --> sérotonine
* Histidine --> histamine
* Glutamate --> GABA
- Autres : Choline --> acétylcholine.
2) Les récepteurs
Récepteurs membranaires couplés aux protéines G ou récepteurs canaux.
Système immunitaire: Communication complexe !!!
1) Les premiers messagers: Les cytokines
- Interleukines 1 à 12
- Interférons
- CSF : facteurs stimulants les colonies
- Facteurs de croissance (GF)
- Chimiokines
2) Les récepteurs
Récepteurs membranaires de type récepteurs enzymes ou couplés aux protéines G
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Cascade moléculaire de la signalisation cellulaire
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
se lie à
Récepteurs
active
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
entraine
Réponses cellulaires
Les premiers messagers : signaux lipophiles et hydrophiles
Comment les premiers messagers peuvent influencer ce qui se passe à l'intérieur de
leur cellules-cibles?
Membranes des cellules, bien que très minces (4 à 6 nm) sont effectivement imperméables
aux ions et aux molécules polaires.
Ex: les ions K + qui pourraient atteindre l'équilibre par diffusion sur cette distance dans l'eau
en environ 5 ms, mettent 12 jours (280 heures) à s'équilibrer dans une bicouche de
phospholipides (dans des conditions comparables de température, etc.).
Les premiers messagers
1) Signaux lipophiles :
•
•
•
•
Hormones: stéroïdes, hormones thyroïdiennes,
Lipides : isoprénoides (acide rétinoïque), acides gras
Vitamines : vitamine D3
Lipides : écosanoïdes, cannabinoïde, phosphoglycérolipides
2) Signaux hydrophiles :
• Acides aminés et dérivés (bioamines) :
- Neuromédiateurs (glutamate, GABA etc...)
- Hormones (noradrenaline etc...)
• Peptides :
- Hormones hypothalamiques, vasoactives, gastro-intestinales
- Neuromédiateurs : enképhalines
• Protéines, glycoprotéines, lipoprotéines
- Hormones hypophysaires, insuline
- Cytokines, facteurs de croissance
• Autres : lumière, gaz, odeurs…
Molécules lipophiles /hydrophiles se fixant sur récepteurs spécifiques = LIGANDS
Notion de ligands ENDOGENES et de molécules AGONISTES/ANTAGONISTES
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Les Récepteurs
Bases de la signalisation:
Spécificité: assurée par l’interaction du premier messager avec le récepteur
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
se lie à
Récepteurs
active
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
entraine
Réponses cellulaires
Les Récepteurs
ü Récepteurs aux H stéroïdiennes, et à l'acide
3 classes:
rétinoïque (H thyroïdiennes/ transporteur)
ü Récepteurs catalytiques (enzymes)
ü Domaines de liaison à l'hormone et à l'ADN
ü Récepteurs couplés aux protéines G
ü Signalisation génomique.
ü Récepteurs/canaux ioniques
Les Récepteurs
COURS 2: MC ZENNARO
COURS 3: S. REBOUISSOU
Les récepteurs stéroïdiens : structures,
fonctions, régulation de la transcription,
interactions chromatine/complexes
protéiques
La voie wnt/beta-caténine : rôle physiologique et
pathologique
COURS 7: V. GOFFIN
Les récepteurs prolactine, hormones de
croissance et cytokines
Les Récepteurs
Les Récepteurs membranaires
1) Récepteurs/canaux ioniques
-
plusieurs sous-unités (5)
canal dont l ’ouverture est déterminée par un ligand
Ex: canal ionique activé par son ligand
Récepteur d’acétylcholine à la jonction neuro-musculaire
2) Récepteurs/enzymes
-
souvent monocaténaire
classique récepteur tyrosine kinase (insuline, facteurs de croissance)
autres fonctions enzymatiques
✓ tyrosine phosphatase
✓ serine kinase
COURS
✓ guanylate cyclase etc...
Ex: protéine kinase activée par un ligand
Récepteur à l’insuline, facteurs de croissance
9: S. GUILMEAU
Les récepteurs tyrosine-kinases :
structures, fonctions, signalisation et
implications en oncologie.
Les Récepteurs membranaires
3) Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) = 3 modules:
-
Récepteur: monomériques, 7 domaines transmembranaires
Transducteur: protéine G hétérotrimérique (dépendante des nucléotides guanyliques, lie GTP) attachée
à la mb par un ancre lipidique; production de seconds messagers (inositol triphosphate, DAG, AMPc…)
Effecteur: protéine cible dont l’activité est altérée après interaction avec les SU activées de protéines G:
enzymes (adénylate cyclase, phospholipase C…), canaux
Protéine G = Transducteur
Récepteur
Effecteur primaire
Ex: protéine G activée par son ligand
Récepteur à l’adrénaline ou la sérotonine
Modes d’activation des Récepteurs
L’activation d’un récepteur par son ligand ou son agoniste peut se faire par:
-
un changement de conformation (récepteurs des canaux ioniques tels que les récepteurs nicotiniques,
récepteurs 7TM tels que les récepteurs muscariniques et les récepteurs adrénergiques),
la formation de dimères (récepteurs à activité enzymatique intrinsèque),
protéolyse
L’activation du récepteur conduit à des changements d’affinité du récepteurs pour les molécules avec il
interagit (ADN, protéine)
Exemple des récepteurs nucléaires
transactivation
domain (TAD)
DNA binding
domain (DBD)
ligand binding
domain (DBD)
Modes d’activation des Récepteurs
L’activation d’un récepteur par son ligand ou son agoniste peut se faire par:
-
un changement de conformation (R canaux ioniques tq R nicotiniques, R à 7DTM tq R muscariniques et
R adrénergiques),
la formation de dimères (R à activité enzymatique intrinsèque, R nucléaires, R canaux complexes
multimériques avec 2SU liaison au ligand),
protéolyse
L’activation du récepteur conduit à des changements d’affinité du récepteurs pour les molécules avec il
interagit (ADN, protéine)
Exemple des récepteurs membranaires à
activité tyrosine kinase
Activation des Récepteurs et Réponses cellulaires
Modes d’activation des Récepteurs
L’activation d’un récepteur par son ligand ou son agoniste peut se faire par:
-
un changement de conformation (R canaux ioniques tq R nicotiniques, R à 7DTM tq R muscariniques et
R adrénergiques),
la formation de dimères (R à activité enzymatique intrinsèque, R nucléaires, R canaux complexes
multimériques avec 2SU liaison au ligand),
Protéolyse (R couplés aux protéines G tq R PAR, R non classés tq R Notch)
L’activation du récepteur conduit à des changements d’affinité du récepteurs pour les molécules avec il
interagit (ADN, protéine)
Exemple des récepteurs membranaires Notch
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Les acteurs de la signalisation intracellulaire
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
se lie à
Récepteurs
active
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
entraine
Réponses cellulaires
Cascade de signalisation intracellulaire
Les acteurs de la signalisation intracellulaire
Protéines de signalisation intracellulaire
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
Enzymes de modification des lipides (PI3K, PLC)
se lie à
Protéines kinases (MAP, JAK pathways)
Petites protéines G (small GTPase)
Protéines phosphatases
Récepteurs
Facteurs de transcription
active
Seconds messagers
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
entraine
Réponses cellulaires
Seconds messagers (Ca2+, AMPc, GMPc)
Les protéines de la signalisation intracellulaire
Protéines de signalisation intracellulaire
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
Enzymes de modification des lipides (PI3K, PLC)
se lie à
Protéines kinases (MAP, JAK pathways)
Petites protéines G (small GTPase)
Protéines phosphatases
Récepteurs
Facteurs de transcription
active
COURS 5: H. ENSLEN
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
La voie de signalisation des MAP kinases.
Méthodes d’étude, physiologie et
implications physiopathologiques.
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
COURS 3: C. PILATI
La voie JAK/STAT : Signalisation,
méthodes d’étude et implications dans la
tumorigenèse.
entraine
Réponses cellulaires
COURS 9: H. BLONS
La voie de signalisation PI3K-Akt-mTOR
Les seconds messagers
Premiers messagers
(médiateurs, ligands, agonistes)
Seconds messagers
Seconds messagers (Ca2+, AMPc, GMPc)
se lie à
COURS 7: J. BERTHERAT
Récepteurs
La voie de signalisation de l’AMPc.
Méthodes d’étude, physiologie et
physiopathologie.
active
Protéines de signalisation intracellulaire
Seconds messagers
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
entraine
Réponses cellulaires
Les acteurs de la signalisation intracellulaire
Protéines de signalisation intracellulaire
Enzymes de modification des lipides (PI3K, PLC)
Petites protéines G (small GTPase)
Protéines kinases (MAP, JAK pathways)
Protéines phosphatases
Facteurs de transcription
Modifications essentielles des protéines de
signalisation
- Modification post-traductionnelles rapides
(phosphorylations)
- Association à une petite molécule second
messager (GDP/GTP, AMPc)
- Formation de complexes multiprotéiques
fonctionnels
Seconds messagers
Seconds messagers (Ca2+, AMPc, GMPc)
régule
Protéines cibles cytosoliques ou
nucléaires
Cibles de la signalisation
- Activité des enzymes, des transporteurs, des
protéines de structure
- Régulation de facteurs de la transcription
Protéines adaptatrices, protéines d’ancrage et d’échaffaudage
En résumé…
Plan du cours
1. Physiologie et signalisation
a. Définition
b. Notion de transduction du signal
c. Modes de transmission; exemple des systèmes endocrines, nerveux et
immunitaires
2. Acteurs de la signalisation cellulaire
a.
b.
c.
d.
Premiers messagers
Récepteurs nucléaires et membranaires
Médiateurs de la signalisation intracellulaire
Bases de la signalisation: spécificité, amplification, intermittence,
intégration
Amplification du signal intracellulaire
Bases de la signalisation:
Spécificité
Amplification: assurée par les protéines de signalisation cellulaire et seconds messagers
Intermittence
Intégration
Attention
amplification ≠ déformation
Amplification
du signal
intracellulaire
Exemple des récepteurs
à l’épinéphrine
Signal
x 108
Intermittence de la signalisation
Bases de la signalisation:
Spécificité
Amplification
Intermittence: Extinction du signal par un mécanisme de rétrocontrôle
Intégration
Toutes les voies de signalisation ont leur rétrocontrôle, « le bouton de reset», essentiel
pour que la cellule reste sensible aux signaux de son environnement.
Ce rétrocontrôle se situe à différents niveaux :
-
les récepteurs peuvent être modifiés et rendus réfractaires ; ils peuvent être enlevés
de la membrane (par endocytose ou coupure).
les complexes de signalisation peuvent être désactivés par déphosphorylation
(réaction catalysée par une phosphatase) ou par hydrolyse du second messager….
Un manque de rétrocontrôle rend la cellule incapable de répondre conformément aux
besoins de l'organisme. Le cancer est un exemple très étudié d'une pathologie qui
survient à la suite d'un défaut dans le (rétro)contrôle des voies de signalisation.
Intermittence de la signalisation
1. Hydrolyse du GTP en GDP par les GTPase activating proteins (GAP)
Ex: Récepteurs couplés aux protéines G /Adénylate cyclase
2. Dégradation de l’AMPc en AMP inactif par la phosphodiestérase (PDE)
Ex: Récepteurs couplés aux protéines G /Adénylate cyclase
3. Phosphorylation du récepteur membranaire par une protéine kinase
Ex: Récepteurs à la rhodopsine (RCPG)
4. Endocytose du récepteur membranaire
Ex: Récepteurs à l’EGFR (RTK)
5. Déphosphorylation du récepteur membranaire par une tyrosine phosphatase
Ex: Récepteurs à l’EGFR (RTK)
6. Phosphorylation du récepteur membranaire par une protéine kinase
Ex: Récepteur canal de l’acétylcholine
Perte de rétrocontrôle: exemple des tumeurs
Exemple de la voie Wnt (Frz: récepteurs couplés aux protéines G)
Cancer colorectaux: mutations dans le gène de l’axine, de la beta-catenin, d’APC, de la GSK3
Intégration du signal intracellulaire
Bases de la signalisation:
Spécificité
Amplification
Intermittence
Intégration : dépendra de l’amplification, de la cinétique du signal, de la localisation
cellulaire de l’activité des médiateurs….
Intégrer des signaux variés: exemple des tumeurs
Vision réductionniste:
Tumeur ≠ un type cellulaire
COURS 2: I CREMER
Cancer et immunité anti-tumorale
COURS 5: J FAVIER
Hypoxie et angiogénèse
Microenvironnement complexe (nombreux signaux croisés) et dynamique
(évolution au cours de la progression tumorale)
Signalisation oncogénique :
Signalisation à double sens:
- environnement => cellule tumorale
- cellule tumorale => environnement
Intégration des signaux en oncogénèse
Signaux
pro-tumoraux
Signaux
anti-tumoraux
Progression
ou
Régression
Conclusions et mots clés
Signalisation cellulaire = réactions hétérogènes et transitoires
L’activation de voies de signalisation intracellulaire associe:
• Des interactions protéiques multiples (complexes multiprotéiques)
• Dépendantes ou non de modifications post-traductionnelles (phosphorylations)
• Entrainant des changements de compartiments cellulaires
La communication entre protéines ou leur activation impliquent des petites molécules non
protéiques, appelées seconds messagers.
De nombreuses modifications post-traductionnelles régulent ces voies de signalisation à court
ou long terme.
Comment mieux comprendre la signalisation?
COURS 1:
Apports des technologies omiques
(A. DE REYNIES)
Méthodologies (C. PILATI)
COURS 12: S. GUILMEAU ; C.
PILATI ; A. DE REYNIES
L’analyse bioinformatique des voies de
signalisation (A. DE REYNIES)
TD interactif
Approches expérimentales
appliquées à l’étude de la signalisation
cellulaire
Amplification du signal intracellulaire
Intégration du signal intracellulaire
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