G s

Communication/Signalisation
• Organisme pluricellulaire
• Objectif: conservation de l ’individu et de l ’espèce
• Moyen: matière et énergie prélevées du milieu extérieur
• Structure hiérarchisée
• nécessité : des communications soit un échange
d ’informations en relation avec l ’environnement
– Coordination des changements adaptatifs
– assurer le développement de l ’individu
» Formation de l ’organisme à partir du zygote
(conservation de l ’individu)
» reproduction (conservation de l ’espèce)
Communication/Signalisation
• Société cellulaire
– Organisme humain 10 000 milliards de cellules
intégrées dans un réseau de communications
• émission de signaux
– provenant des autres cellules
– destiné à d ’autres cellules
– informant sur la matrice extracellulaire et sur le milieu
extérieur
Communication/Signalisation
Survie
différenciation
division
Mort
20% des gènes codent pour des protéines de la communication
Communication/Signalisation
Messager chimique
Cellule émettrice
réponse
récepteur
Cellule réceptrice
Communication/Signalisation
• Communication par voie nerveuse
– transmission synaptique
• Communication par voie humorale
– transmission endocrine ou neuroendocrine
• Communication par voie locale
– transmission paracrine et autocrine
Communication/Signalisation
Locale
Paracrine
Autocrine
Médiateurs locaux: Cytokines, NO, PG
Communication/Signalisation
circulation
Cellule endocrine/neuroendocrine
Cellule cible
Messagers : hormones sécrétées dans le sang par les cellules
endocrines et agissent à distance sur les cellules cibles la
distance rend les communications assez lentes.
la diffusion est large donc la spécificité doit être extrême
Communication/Signalisation
Messager: neurotransmetteur ou neuromédiateur, les faibles distances
(messager/récepteur) sont responsables de la vitesse de communication
Communication/Signalisation
Communication par jonctions lacunaires
Jonction GAP (connexons)
Communication par les molécules d ’adhérences (juxtacrine)
protéine CAM (cell adhesion molecules) intégrines, sélectines ….
Communication/Signalisation
Messager chimique X
Cellule émettrice
Réponse Y
récepteur
Cellule réceptrice
Rétrocontrôle négatif ou positif (moins fréquent)
Communication/Signalisation
Messager chimique X
Cellule émettrice
Réponse Y
récepteur
Cellule réceptrice
Rétrocontrôle par X
Communication/Signalisation
régulation
Cellule émettrice 1
Cellule émettrice 2
Cellule émettrice 3
X
Réponse Y
récepteur
Cellule réceptrice
Messagers chimiques
• Une cellule émettrice peut produire plusieurs messagers
• Un même messager peut être impliqué dans différentes
communications
• Un messager impliqué dans un type de communication peut produire
des effets différents selon le type cellulaire
• Une cellule réceptrice peut produire les mêmes effets avec différents
messagers
Messagers chimiques
• Les messagers interagissent avec des récepteurs membranaires ou
cytoplasmiques
– les molécules hydrosolubles avec les récepteurs membranaires
• hormones peptidiques , cytokines, neurotransmetteurs….
– Les molécules liposoluble avec les récepteurs cytoplasmisques
• hormones stéroïdes, thyroïdienne, rétinoïde, NO
– Exceptions
• les dérivés du tétrahydrocannabinol et certains stéroïdes ont des récepteurs
membranaires
– Conséquences
• Les hormones liposolubles sont véhiculées dans le sang sous forme liées et
leurs demi-vie est longue
• Les hormones hydrosolubles sont sous formes libres leurs demi-vie est courte
• seules les formes libres sont actives
Messagers chimiques
• La liaison d ’un messager à son récepteur active une voie de
signalisation intracellulaire
• Les messagers hydrophobes sur les récepteurs cytoplasmiques est
directe par activation d ’un facteur de transcription
– augmentation de la synthèse de protéine
• Les messagers hydrophiles sur les récepteurs membranaires mettent en
jeux des voie d ’activation intracellulaire complexe
– modification des propriétés de canaux ioniques, du métabolisme, du
cytosquelette
• toutes ces modification affectent soit le métabolisme , la division la
différenciation ou l ’apoptose des cellules
Les récepteurs
• Caractéristiques
• spécificité, affinité,saturabilité,réversibilité,
couplage
• Deux groupes
– les récepteurs nucléaires ou cytoplasmiques
(solubles)
– Les récepteurs membranaires
Les récepteurs
• Les récepteurs cytoplasmiques sont des facteurs de transcription
activés par un ligand, ils forment une superfamille de récepteurs dont
certains ne possèdent pas de ligand connu: les récepteurs orphelins
• L ’activation de ces récepteurs cytoplasmiques entraîne une
translocation nucléaire
• un récepteur nucléaire est nommé par l ’initiale du ligand avant R pour
récepteur
• récepteurs aux glucocorticoïdes ou GR
Les récepteurs membranaires
• Récepteurs récepteurs ionotropiques
• Récepteurs non canaux ioniques ou
métabotropiques (une enzyme qui produit
un second message)
– RTK (enzyme intrinsèque)
– (RCPG) Récepteurs couplés aux protéines G
(enzyme associée)
Les récepteurs membranaires
• Récepteur transduisant le signal par
l ’intermédiaire de protéine G
• On estime que 40% des cibles
pharmacologiques sont des RCPG
signaux
• Augmentation d ’AMPc
• Diminution d ’AMPc
• Augmentation d ’IP3 et de Ca++
Ligand
Récepteur
Transducteur
Effecteur
Second messager
 Les protéines G sont des hétérotrimères avec 3 SU
, , .
 Une protéine G qui active la formation d'AMPC est
une G stimulatrice ou Gs avec une SU Gs.
 Gs épinéphrine, glucagon, vasopressine.
Le récepteur pour l'épinéphrine est le récepteur adrenergique
Plusieurs récepteurs peuvent lier un même ligand et un
même ligand peut stimuler différentes voies de
signalisation
 Gs, sa liaison au GTP, activate l'Adenylate
cyclase.
 Gi, sa liaison au GTP, inhibe l'Adenylate
cyclase.
Des effecteurs et récepteurs différents induisent les
echanges de GDP des proteines G stimulatrices ou
inhibitrices.
Quelquefois G qui est libéré lors de l'échange est
un effecteur qui interagit et active d'autres protéines.
Small GTP-binding proteins include (roles indicated):






initiation & elongation factors (protein synthesis).
Ras (growth factor signal cascades).
Rab (vesicle targeting and fusion).
ARF (forming vesicle coatomer coats).
Ran (transport of proteins into & out of the nucleus).
Rho (regulation of actin cytoskeleton)
All GTP-binding proteins differ in conformation
depending on whether GDP or GTP is present at their
nucleotide binding site.
Generally, GTP binding induces the active state.
hormone
signal
outside
La SU  de G
fixe le GTP, et
peut l'hydrolyser
en GDP + Pi.
GPCR
plasma
membrane

AC
GDP GTP
GTP
GDP
cytosol
ATP cAMP+PPi
 &  sont modifiés par des lipides (ancres lipidiques) qui
les fixent à la surface interne de la membrane
Adenylate Cyclase (AC) est une protéine transmembranaire
avec un domaine catalytique cytosolyque
hormone
signal
outside
GPCR
Le complexe
G inhibe
G.
plasma
membrane

AC
GDP GTP
GTP
GDP
cytosol
ATP cAMP+PPi
1-Non activé Gest lié au GDP et les SU forment le
complexe hétérotrimérique.
hormone
signal
outside
GPCR
plasma
membrane

AC
GDP GTP
GTP
GDP
cytosol
ATP cAMP+PPi
2. La liaison de l'hormone au RCPG correspondant
induit un changement conformationel extracellulaire
qui ce propage à l'interface de fixation de la protéine
G intracellulaire. Le site nucleotide-binding site devient
plus accessible dans le cytoplasme ou [GTP] > [GDP].
G libére GDP & fixe GTP (GDP-GTP exchange).
hormone
signal
outside
GPCR
plasma
membrane

AC
GDP GTP
GTP
GDP
cytosol
ATP cAMP+PPi
3. Substitution de GTP pour GDP provoque un autre
changement conformationnel de G.
G-GTP est libéré du complexe inhibiteur  et peut
activer une enzyme permettant la formation d'un second
messager.
hormone
signal
outside
GPCR
plasma
membrane

AC
GDP GTP
GTP
GDP
cytosol
ATP cAMP+PPi
4. Adenylate Cyclase,activée par G-GTP, catalyse la
synthèse d' AMPc.
5. Proteine Kinase A (cAMP Dependent Protein
Kinase) catalyse la phosphorylationde nombreuses
protéines et modifie leur activité.
• ADP-ribose est transfére du NAD+ to à une arginine
présente dans le site actif GTPase de Gs.
• ADP-ribosylation empèche l'hydrolyse du GTP par
Gs .
• La proteine G stimulatrice est en permance activée et
stimule la sécétion ionique et d'eau.
 La Pertussis toxine (coqueluche) catalyses l'ADPribosylation d'une cysteine Gi, elle devient incapable
d'échanger le GDP pour le GTP
• La voie inhibitrice est bloquée donc l'adénylate cyclase
est augmentée et inhibe les sécrétions bronchiques .
 ADP-ribosylation est un mécanisme générale de
régulation des protéines
ADP
ribosylation
H
O
C
protein
NH2
O
+
N

O P O CH2 O
H
H
H
H
OH
OH
NH2
O
N
(CH2)3
NH
C
O
NH

O P O CH2 O
H
H
H
H
OH
OH
NH2
O
N

N
O P O CH2 N
O
O
H
H
H
H
+
NAD
OH
OH
(nicotinamide
adenine
dinucleotide)
N

protein
(CH2)3
NH
Arg
C
residue
NH2
NH2+
NH2+
N
N
N
O P O CH2 O
H
H
O
H
H
OH
OH
H
O
ADP-ribosylated
C
protein
NH2
+
N
H
nicotinamide
Les seconds messagers
Adenylate Cyclase (Adenylyl
Cyclase) catalyse:
ATP cAMP + PPi
NH2
cA M P
N
N
certaines hormones à la surface
d'une cellule catalysent la
formation d'AMPc intracellulaire
N
N
H2
5 'C 4 '
l'AMPc est considéré comme un
second messager
O
H
P
O
O
H
3'
O
O-
H
H
OH
2'
1'
Phosphodiestérase
catalyse
cAMP + H2O AMP
N
N
Les phosphodiesterases
hydrolysent l'AMPc
Le second messager
stimule sa propre
dégradation permettant
un arrêt du signal
NH2
cA M P
N
N
H2
5 'C 4 '
O
H
P
O
O
H
3'
O
O-
H
H
OH
2'
1'
Protein Kinase A (cAMP-Dependent Protein Kinase)
transfert Pi de l' ATP à une Ser or Thr
Protein Kinase A à l'état de repos est un complexe de
• 2 SU catalytiques (C)
• 2 SU régulatrices (R).
et forme une structure quaternaire R2C2
Chaque SU régulatrice contient une séquence
pseudosubtrat qui mime le domaine substrat d'une
proteine mais avec une Ala substituant Ser/Thr.
Ce pseudosubstrat de R qui ne peut etre phosphorylé
est lié au site actif de la SU C et ainsi bloque son
activité
R2C2 + 4 cAMP  R2cAMP4 + 2 C
Quand R fixe 2 AMPc il y changement
conformationnel et libération de la SU C
La SU peut ainsi catalyser la phosphorylation de
Ser/Thr des protéines cibles.
PKIs, Protein Kinase Inhibitors, modulent l'activité de
la SU catalytique .
Phosphatidylinositol Signal
O
O
R1
C
H2C
O
O
C
CH
H2C
R2
O
O
P
O
O
OH
2
phosphatidylinositol
H
H
1
6
H
OH
OH
H
OH
5
H
3
H
4
OH
O
O
R1
C
H2C
O
O
C
CH
H2C
R2
O
O
P
O
O
OH
2
H
PIP2
phosphatidylinositol4,5-bisphosphate
H
1
H
OH
3
H
6
OH
H
4
OPO32
5
H
OPO32
Kinases catalysent le transfert de Pi de l'ATP en position
4 et 5 de l'inositol pour former phosphatidylinositol4,5-bisphosphate (PIP2).
PIP2 est hydrolysé par la Phospholipase C.
O
Différentes formesde
PLC ayant différents
domaines de
régulation peuvent
etre impliquées
G-protein, Gq active
une forme de PLC
O
R1
C
H2C
O
O
C
CH
H2C
cleavage by
Phospholipase C
R2
O
O
P
O
O
OH
2
H
PIP2
phosphatidylinositol4,5-bisphosphate
H
1
6
H
OH
OH
H
3
H
OPO32
5
H
4
OPO32
Quant un RCPG est activé il échange le GDP pour du GTP
et le complexe Prot Gq GTP active la PLC
Ca++, est nécessaire à l'activité de la PLC
OPO32 H
OH
2
H
1
6
H
OH
OH
H
3
H
OPO32
O
5
H
4
OPO32
IP3
inositol-1,4,5-trisphosphate
R1
O
H2C
C
O CH
H2C
O C
R2
OH
diacylglycerol
Hydrolyse de PIP2, catalysée par Phospholipase C, produit
2 second messagers:
 inositol-1,4,5-trisphosphate (IP3)
 diacylglycerol (DG).
Diacylglycerol, avec Ca++, activent la Protein Kinase C,
qui catalyse la phosphorylation de nombreuses protéines
intracellulaires
Ca++
calmodulin
Ca++-release channel
IP3
++
Ca
endoplasmic
reticulum
Ca++-ATPase
ATP
++ ADP + Pi
Ca
IP3 active Ca++-release channels dans la membrane du
réticulum.
Ca++ stocké est libéré dans le cytoplasme et aide à
l'activation de la Proteine Kinase C.
Signal turn-off diminution du Ca++ du cytoplasme via
les Ca++-ATPase pompes, & degradation de IP3.
Cellules photoréceptrices
segment interne
synthèse des molécules
mises en jeu dans la vision
segment externe
≈ 2000 disques
dans la membrane desquels
se trouve la rhodopsine
cône
bâtonnet
membrane
pigments
pigments
membrane
Les cellules photo-réceptrices sont situés dans le segment externe
formés de disques empilés contenant la rhodopsine
rétinal
membrane
Rhodopsine = protéine (opsine) + chromophore (rétinal)
Récepteurs photoniques
opsine
rétinal
Rhodopsine
opsine + chromophore 11-cis-rétinal
La rhodopsine
protéine qui transforme
l’énergie lumineuse en signal électrique
hn
Vertébrés = vision
stimulation de la protéine G
‘transducine’
Bactéries = production d’énergie
hn
bactériorhodopsine
gradient de H+
synthèse de l’ATP
Rhodopsine : récepteur visuel des bâtonnets
Opsine
chaîne de 348 acides aminés
formant 7 hélices  trans- membranaires

extrémité
extra cellulaire

Protéine
trans-membranaire
extrémité intra-cellulaire
Récepteurs photoniques
Bâtonnets = rhodopsine
opsine
rétinal
Rhodopsine
opsine + chromophore 11-cis-rétinal
Le chromophore est le rétinal
Aldéhyde de la vitamine A
opsine
rétinal
lié par une base de Schiff
à un groupement lysine de l’opsine
H+
RCHO + H2N-(CH2)4cis-rétinal
opsine
RCH=NH-(CH2)4rhodopsine
L’activation de la rhodopsine est due à la photo isomérisation du rétinal
forme repliée
rotation de 180° entre les carbones C11 et C12
temps de commutation ≈ picoseconde (10-12 s)
Transformation du signal photonique en signal électrique
à l’obscurité
à la lumière
GMPc
rhodopsine
inactive
canaux ioniques
ouverts (GMPc)
-40 mV
photo-isomérisation
du rétinal
hydrolyse du GMPc
fermeture des canaux ioniques
-80 mV
blocage des cations
passage des cations
= dépolarisation
hyperpolarisation
fermeture des canaux ioniques Na+
potentiel récepteur
La famille des protéines G hétérotrimériques comprend:
 Transducine, impliquée dans la détection de la
lumière par la rétine
 G-proteins impliquées la transduction
Et une grande famille de petites protéines G analogues à G
alpha
Structure tridimensionnelle à 2,8 Å de résolution, d'un
cristal de rhodopsine.
D'après Palczewski K., Kumasaka T., Hori T., Behnke CA.,
Motoshima H., Fox BA.,
Le Trong I., Teller DC., Okada T., Stenkamp RE., Yamamoto
M., and Miyano M.
(2000) Science 289, 739-45.
Arrêt du signal
Rapide
Lent
Hydrolyse des seconds messagers
Turn off ou arrêt du:
1. G hydrolyse GTP to GDP + Pi. (GTPase).
La presence of GDP sur G permet la liaison avec le
comlexe inhibiteur  .
Adenylate Cyclase n'est plus activée
2. Phosphodiesterase catalyse l' hydrolyse de
cAMP  AMP.
2

O
PO
3 H
O
H
2

O
PO
3
O
H
H
O
H
O
H
H
H
H
2

O
PO
3
H
IP
3
(3s
te
p
s
)
H
O
H
O
H
H
O
H
O
H
H
+3P
i
H
H
H
O
H
in
o
sito
l
désensibilisation
Désensibilisation
La stimulation du récepteur apres stimulation del'adenylate
cyclase permet le recrutement de GRK2 à la membrane elle
phosphoryle le récepteur et recrute bg c ce complexe recrute
la PDE qui hydrolyse l 'AMPc et augmente la désensibilisation
Organisation structurale des arrestines.
Désensibilisation et pistes thérapeutiques
Arrêt du signal :
La desensibilisation intervient .
 Certains récepteur sont phosphorylés via des
kinases spécifiques .
 Le récepteur phosphorylé peut être lié à une protéine
la -arrestine, qui permet l'internalisation du
récepteur par un processus d'endocytose clathrine
dependant
Proteines Phosphatases catalyse hydrolyse les
phosphates associées par la PKA
Endocytose clathrine dépendante
• Puits et vésicules
recouverts de
clathrine
Fig 13-6
83
Clathrine
• Une sous-unité de clathrine =
– 3 grosses chaînes +
– 3 petites chaînes
• Une sous-unité = un triskélion
• Assemblage des triskélions en un panier
d'hexagones et pentagones
• Triskélions peuvent s'assembler
spontanément en panier meme sans
membrane
84
Clathrine
• Manteau de clathrine
(B) Deux triskélions
chaînes lourdes en gris ou rouge
chaînes légères en jaune
(C) Cryo-électromicrophotographie
Fig 13-7
(A) Ombrage au platine
86
Adaptine
•
•
•
•
Protéine de manteau à clathrine
Complexe multiprotéique
Lie la clathrine à la membrane
Piège les protéines transmembranaires dont les récepteurs qui
capturent les cargos solubles
• Au moins 4 types d'adaptine pour les différents récepteurs de
cargo
87
• Assemblage et désassemblage d'un manteau de
clathrine
– Les adaptines se lient à la clathrine et au complexe
cargo/cargo-r
– Dynamine = GTPase
Fig 13-8
88
Rôle de la dynamine
Fig 13-9
Puits à clathrine dans les
cellules nerveuses de
drosophiles shibire ayant
une mutation du gène de la
dynamine entraînant une
paralysie. Anneau
correspondant à la
dynamine mutée
89
Perte du manteau
• La vésicule quitte la membrane
• Le manteau de clathrine est perdu
immédiatement
– intervention de chaperonne de la famille des
hsp70 (ATPase)
– auxilline active l'ATPase
• La vésicule doit attendre d'être constituée
pour que le manteau se retire
90
Spécificité du manteau
• Mécanismes généraux identiques
• Mais chaque membrane a ses
spécificités
– membrane plasmique (riche en
cholestérol) : nécessité de beaucoup
d'énergie
– autres membranes : existence de
bourgeonnements
91
Deux modèles
1-RCPG produisent leurs vésicules
2-RCPG colocalisent avecdes vésicules préxistants
Si le modèle 1 est correct, l’activation va conduire à la formation de nouvelles zones
ponctuelles qui vont apparaître colorées en vert (dans le cas où elles ne contiennent
que la b-arrestine 2-GFP) ou en jaune (en cas de colocalisation avec RFP-Eps-15) dans
une image superposée. Si le modèle 2 est juste, on s’attend à ce que la b-arrestine 2GFP s’accumule en totalité dans les puits recouverts préexistants, dont la coloration
apparente va passer du rouge au jaune après superposition
Vrai si EPS15 marque de facon stable l'endocytose constitutive