Introduction à la Signalisation Cellulaire : grands principes et méthologie Sandra Guilmeau Institut Cochin INSERM U1016, CNRS UMR-S 8104 [email protected] 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