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La Signalisation intracellulaire Comment les cellules communiquent-elles ? Cellule sécrétrice Molécule de signalisation Cellule sécrétrice Molécule de signalisation Cellule cible Récepteur Cellule cible Récepteur Les différents types de récepteurs • Les récepteurs membranaires Récepteur membranaire de surface Molécule de signalisation hydrophile • Les récepteurs intracellulaires Molécule de signalisation hydrophobe Protéines de transport Récepteur intracellulaire Les différents formes de communications des molécules de signalisation sécrétées • La communication paracrine • La communication synaptique Les différents formes de communications des molécules de signalisation sécrétées • La communication endocrine • La communication autocrine Comment la cellule répond elle à ces signaux ? Signaux extracellulaires Différenciation Apoptose Prolifération Les différents types de récepteurs membranaires • Les récepteurs ionotropiques Canal ionique • Les récepteurs couplées aux protéines G protéine G enzyme Enzyme activée • Les récepteurs avec une activité enzymatique Domaine catalytique inactif Domaine catalytique actif Les récepteurs à activité enzymatique intrinsèque Différentes activités enzymatiques intrinsèques ont été mise en évidence : • Activité tyrosine kinase (PTK) Ex : le récepteur au PDGF, à l’EGF ou les récepteurs aux cytokines • Activité sérine/thréonine kinase Ex : le récepteur au TGF • Activité tyrosine phosphatase (PTPase) Ex : CD45 • Activité guanylate cyclase Ex : Récepteur à l’ANF (Atrial Natriuretic factor) Quelles sont les étapes de la signalisation ? Molécule de signalisation extracellulaire Récepteur membranaire Protéines de signalisation intracellulaires Protéines du cytoplasme Modification du métabolisme, de la structure cellulaire Protéines cibles Facteur de transcription Modification de l’expression des gènes Réponse de la cellule et cycle cellulaire Mitogènes Signaux de mort Agent de différenciation G2 S G2 S M G1 S M G1 Différenciation Prolifération G2 M G1 Apoptose Les récepteurs à activité tyrosine kinase Famille des Récepteurs à activité Tyrosine Kinase (RTK) D ’après P Blume-Jensen and T Hunter, Nature 2001: 411, 355 Les ligands des RTK Epidermal Growth factor (EGF) Insulin Growth factor (IGF 1 et 2) Nerve Growth factor (NGF) Récepteur à l’EGF (EGFR) Récepteur à l’IGF1 (IGF1 R) Récepteur au NGF (NGFR) Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires Stimule la croissance cellulaire et la survie Stimule la croissance cellulaire et la survie de nombreux neurones Platelet-derived Growth factor (PDGF) Récepteur au PDGF (PDGFR) Stimule la croissance, la survie et la prolifération de nombreux types cellulaires Macrophage-colony stimulating factor (M-CSF) Récepteur au M-CSF (M-CSFR) Stimule la prolifération des monocytes/macrophages et la différenciation Fibroblast Growth factor (FGF) Récepteur au FGF (FGFR) Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires et inhibe la différenciation de certains précurseurs cellulaires La dimérisation du récepteur RTK PDGF Dimérisation du récepteur La fixation du ligand induit une dimérisation (ou oligomérisation du récepteur) L’activation du récepteur RTK PDGF PDGF PDGF P P P Dimérisation du récepteur Activation de l’activité kinase Autophosphorylation du récepteur La dimérisation du récepteur induit l’activation de l’activité tyrosine kinase du récepteur et ainsi son autophosphorylation Signalisation intracellulaire et phosphorylation Activateur non phosphorylé (non actif) KINASE (ajout d’un groupement phosphate) PHOSPATASE (élimination d’un groupement phosphate) Activateur phosphorylé (actif) La transduction intracellulaire du signal se fait par un mécanisme de phosphorylations intracellulaires Signalisation intracellulaire et phosphorylation Récepteur phosphorylé et actif Activation de protéines kinases intracellulaires Cascades de phosphorylations intracellulaires Domaines de reconnaissance des résidus tyrosines phosphorylées • Phosphorylation de tyrosines du domaine porteur de l’activité kinase Contrôle de l’activité kinase du récepteur P P P • Phosphorylation de tyrosines dans des zones non catalytiques Sites de liaison des domaines SH2 (Sarc homology 2) ou PTB (phosphotyrosine binding) présents au sein de nombreuses protéines Interaction tyrosine phosphorylée / domaine SH2 Jaune : récepteur avec la tyrosine phosphorylée (groupement phosphate en rouge) Blanc: domaine SH2 Le phosphate est chargé négativement. Il vient s’insérer dans la poche positive du domaine SH2 Activation des voies de signalisation Induction de la cascade d’activation intracellulaire P P P P P P Recrutement de médiateur à la membrane via une interaction domaine SH2/tyrosine phosphorylée Les grandes voies de signalisation induites PDGF Voie des MAP kinases (mitogenactivated protein kinase) P P P Voie de la PI3 kinase/Akt Activation des facteurs de transcription et expression des gènes Prolifération La voie de la PI3-kinase/Akt La protéine PI3-kinase (phosphatidylinositol 3-kinase) est constitué de deux sous-unités : • une sous-unité régulatrice, p85: elle contient deux domaines SH2 • une sous-unité catalytique p110 PDGF La PI3kinase est recrutée au niveau du récepteur via les domaines SH2 qui constituent sa sous unité régulatrice P P PI3K P p85 p110 L’activation de la PI3-kinase L’association de la PI3kinase aux tyrosines phosphorylées du récepteur induit une modification conformationnelle de la protéine Activation de la sousunité catalytique de la PI3-kinase La PI3-kinase phosphoryle les lipides membranaires Les lipides membranaires ainsi phosphorylés jouent le rôle de 2nd messagers L’activation de la protéine Akt (protein kinase B ou PKB) Les lipides membranaires phosphorylées servent de point d’ancrage à deux protéines kinase: les phosphoinositidedependent kinase, la PDK1 et Akt L’activation de la protéine Akt (PKB) • L’interaction se fait via des domaines particuliers appelés domaines PH (domaine Pleckstrin homologie) • L’interaction de Akt avec les lipides permet un changement de conformation. Akt peut alors être phosphorylé et donc activé par PDK1 Akt induit la prolifération Akt va induire la prolifération cellulaire de différentes façons: • il induit l’activation du cycle cellulaire • il active des facteurs de transcription qui vont permettent l’expression de gènes impliqués dans la prolifération • il bloque l’apoptose Akt bloque la dégradation de la cycline D GSK3b Akt GSK3b Actif Cycline D P Inactif P Cycline D Ubiquitination et dégradation de la protéine Akt inhibe la phosphorylation de la cycline D en inhibant la kinase GSK3b (Glycogen synthase kinase). Il bloque ainsi la dégradation de la cycline D Akt active le facteur de transcription NF-kB I-kB NF-kB Akt I-kB est un inhibiteur du facteur de transcription NF-kB Le facteur de transcription reste dans le cytoplasme Phosphorylation de I-kB Dégradation de I-kB Libération de NF-kB NF-kB migre dans le noyau et induit l’activation des gènes Rétrocontrôle de la voie PI3-Kinase/Akt Akt PI(4,5)P2 PI(3,4,5)P3 PTEN PTEN (Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10) déphosphoryle les lipides membranaires Décrochage de Akt de la membrane plasmique Inactivation de Akt et arrêt du signal La voie PI3-kinase/Akt et cancers Dans des conditions normales : La voie PI3-kinase/Akt et cancers Dans les gliomes (tumeurs cérébrales), PTEN est inactivé PTEN est un gène suppresseur de tumeur Résumé PDGF Voie de la PI3 kinase/Akt Voie des MAP kinases P P P Active le facteur NF-kB Prolifération Augmente la quantité de cycline D La voie des MAPK (Mitogen Activated protein kinase) Chez les Mammifères, la voie des MAPK se divisent en 4 sous-familles: • la voie Erk1/2 (extracellular signal-regulated kinase) • la voie Jnk (Jun kinase) • la voie p38 • la voie Erk5 L’activation de ces différentes voies dépend du type cellulaire et du signal extracellulaire impliqué La cascade d’activation des MAPK Les MAPK sont activées par une cascade de protéines kinases Stimulus Facteur de croissance Activateur Ras Rac MKKK Raf MEKK1 MKK MKK1 MKK4 MAPK Erk1/2 Jnk Substrat Elk1 c-jun La voie Erk1/2 Interaction avec les Ptyr du récepteur PDGF Domaine SH2 PI3K P p110 p85 P P P Grb2 Domaine SH3 sos Interaction avec la région riche en proline de Sos Grb2 est un adaptateur qui permet le recrutement la protéine Sos à la membrane au niveau du récepteur Activation de Ras par Sos PDGF P P ras ras P P Grb2 GDP sos Inactif GTP Actif Sos est un facteur d’échange de nucléotides guanine (GEF) qui permet l’activation de ras Activation de Raf par Ras Inactif L’association de ras avec Raf modifie l’interaction entre Raf et les protéines 14-3-3 du cytoplasme Raf adopte une conformation active actif La Famille des Protéines GTPases Ras Ras Rho Rab H-Ras N-Ras K-Ras RhoA RhoB RhoC Rab1-N TC21 RhoG RhoE Rap1 Rap2 R-Ras RalA RalB Prolifération Différenciation Arf Ran Arf1-6 Ran Transport Nucléaire CDC42 . Ras est le Membre Fondateur d’une Famille de plus de 70 GTPases Rac1 Rac2 . Très conservée: les 164 acides aminés du ras humain et poulet ne diffèrent qu’à deux positions Cytosquelette Migration . La Conservation Témoigne de Fonctions Essentielles à la Cellule. Activation de Erk1/2 Raf => MKK1 (Map kinase kinase) Mise en place d’un cascade de phosphorylation par des protéines sérine/thréonine kinases Raf actif P MKK1 inactif MKK1 actif P Erk1/2 inactif Erk1/2 actif Migration dans le noyau de la cellule Erk1/2 induit l’expression de c-fos P Erk1/2 noyau P Erk1/2 Elk1 Facteur de transcription P Elk1 actif inactif P Elk1 ++ Gène c-fos Expression de c-fos La voie des Jnk Facteur de croissance Ras Rac Raf MEKK1 • Rac comme Ras est une petite GTPase Rac MKK1 MKK4 Erk1/2 Jnk Elk1 c-jun Rac GDP Inactif GTP Actif La voie des Jnk c-Jun N-terminal kinases MEKK1 Inactif Rac MEKK1 actif P MKK4 inactif MKK4 actif P Jnk inactif Jnk actif Migration dans le noyau de la cellule Comment se fait l’activation de Rac ? Rac Inactif GDP Rac Vav, Sos GTP actif Vav et Sos sont des GEF (Guanine nucleoside exchange factor) capable d’activer Rac Comment se fait l’activation de ces GEF ? Il existe différentes voies d’activation • Vav possède un domaine PH (domaine Pleckstrin homologie). Il peut ainsi être activé par la PI3-K PIP3 Vav Domaine PH Activation de Vav La voie des MAPK et la voie de la PI3-K sont interdépendantes Comment se fait l’activation de ces GEF ? • La phosphorylation de Sos contrôle les interactions avec ces partenaires protéiques P sos Grb2 Grb2 sos P E3b1 sos Eps8 Sos a une activité Ras-GEF activé Activation de Ras et de la voie Erk1/2 Sos a une activité Rac-GEF activé Activation de Rac et de la voie Jnk La voie de Jnk : récapitulatif Activation de la PI3-K Vav s’associe aux lipides phosphorylés Activation de Vav Activation de Rac P P P Activation de l’activité Rac-GEF de Sos Sos s’associe à E3b1 et Eps8 Activation de la voie Erk1/2 Erk1/2 phosphoryle Sos et bloque son association avec Grb2 Activation de la voie Jnk Jnk phosphoryle le facteur de transcription c-jun Une fois activé, Jnk migre dans le noyau ou il induit la phosphorylation de c-jun sur deux résidus sérines Les MAPKs stimulent le facteur de transcription AP1 (adaptor-related protein complex 1) Le facteur de transcription AP1: P Erk1/2 c-fos c-jun P Jnk cytoplasme noyau P P Erk1/2 Jnk Induction de l’expression Phosphorylation de c-jun P c-fos c-fos c-jun Activation du facteur de transcription AP1 AP1 active l ’expression du gène de la cycline D Gène cycline D P c-fos c-jun Gène cycline D Cycline D Cycline D Cycline D Cycline D Cycline D Activation du cycle cellulaire Résumé PDGF Voie des MAPKs Active Jnk Phosphoryle c-jun Active Erk1/2 Induit c-fos Voie de la PI3 kinase/Akt P P P Active le facteur AP1 Induit l’expression de la cycline D Active le facteur NF-kB Prolifération Augmente la quantité de cycline D Voie des MAPKs et Cancer Dans de nombreux cancers, Ras présentent une mutation ponctuelle, qui le rend constitutivement actif Ras muté et autoactif MAPK toujours actives Ras est un ONCOGENE Prolifération Les récepteurs aux cytokines • Les récepteurs aux cytokines n’ont pas d’activité kinase intrinsèque, ils sont associées à des protéines kinases cytoplasmiques • Les cytokines sont des petites protéines qui contrôle la réponse immunitaire. Elles peuvent induire différentes réponses biologiques: inflammation, prolifération ou encore différenciation • Les études sur les voies de signalisation suite à une stimulation par les récepteurs aux cytokines ont permis de caractériser la voie Jak/STAT L ’exemple de l’IL-6 IL-6 IL-6 Jak Jak Jak Jak Jak P Les protéines kinases Jak Dimérisation du (Janus kinase) sont récepteur et acivation constitutivement associées des protéines Jak aux récepteurs P Dimérisation du récepteur et acivation des protéines Jak L ’activation des facteurs STAT3 signal transducer and activator of transcription (STAT) IL-6 IL-6 Jak Jak P P Stat3 Domaine SH2 Les facteurs de transcription Stat3 sont recrutés au niveau du promoteur via leur domaine SH2 Jak Jak P P Stat3 P Les protéines kinases Jak phosphorylent les facteurs Stat3 sur un résidu tyrosine L ’activation des facteurs STAT3 IL-6 Dimérisation des protéines Stat3 Stat3 P P Stat3 noyau Jak Jak P P Stat3 P Translocation nucléaire Stat3 P P Stat3 Les facteurs STAT3 activent l’expression des gènes Gène cible Stat3 P P ++ Stat3 Parmi les gènes cibles de Stat3 se trouvent de nombreux gènes impliqués dans la régulation du cycle cellulaire La voie Jak/Stat et Cancer Le facteur de transcription Stat3 est constituvement actif dans de nombreux cancers Les cellules forment des colonies en milieu agar cDNA Stat3 cis Transfection Fibroblaste de souris Les cellules induisent la formation de tumeurs dans des souris nude Les facteurs de transcription STAT3 sont impliqués dans le processus d’oncogenèse Les récepteurs à activité enzymatique intrinsèque Différentes activités enzymatiques intrinsèques ont été mise en évidence : • Activité tyrosine kinase (PTK) Ex : le récepteur au PDGF, à l’EGF ou les récepteurs aux cytokines • Activité sérine/thréonine kinase Ex : le récepteur au TGF • Activité tyrosine phosphatase (PTPase) Ex : CD45 • Activité guanylate cyclase Ex : Récepteur à l’ANF (Atrial Natriuretic factor) Le récepteur au TGFb TGFb : Transforming growth factor b Le récepteur au TGFb est constitué de deux sous unités différentes TbR-II TbR-I TbR-I TbR-II Domaine intracellulaire à activité kinase + + Autophosphorylation - + - + + - Phosphorylation de l’autre sous-unité Phosphorylation des Smad L’activation du récepteur au TGFb TGFb P TbR-II TbR-I Le TGFb induit un rapprochement des chaines réceptrices Activation de l’activité kinase de TbR-II Phosphorylation et activation de l’activité kinase de TbR-I L’activation des facteurs de transcription Smad P Smad2/3 P Smad2/3 Translocation nucléaire Smad2/3 Smad4 P Hétéro dimérisation P Activation de la transcription Smad2/3 Smad4 P Smad2/3 Smad4 ++
