Ronéo communications cellulaires

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UE9 - Hormonologie Reproduction
Pr Gilles LAMBERT
Date : 01/03/2016
Plage horaire : 10h45 - 12h45
Promo : DFGSM3 2015/2016
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Ronéistes :
WIND Arthur
RASANDISONA RAVONJENA Nicolas
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Communications cellulaires
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I - Généralités
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II - Les récepteurs nucléaires
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III - Les récepteurs membranaires
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IV - Récepteurs couplés aux protéines G
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A.La voie AMPc/PKA
B.La voie IP3/PKC
C.Famille des protéines G
D.Effecteurs et seconds messagers
E. Modulation de la signalisation cellulaire
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V - Récepteurs enzymes
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A.Mécanismes d’activation des récepteurs tyrosine kinase
B.La voie de signalisation Ras/MAP kinase
C.PI3 kinase/Akt
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VI - Signalisation médiée par protéolyse
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VII - Physiopathologie des mécanismes de communication entre
cellules
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I - Généralités
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Pour faire fonctionner un organisme multi-cellulaire, les cellules ont besoin de communiquer entres
elles. Cette communication est assurée par des signaux moléculaires extra-cellulaires sécrétés (les
hormones). En général, ces molécules vont donner une information à un récepteur membranaire
situé sur la membrane plasmique de la cellule cible. Ce récepteur peut être membranaire si le
signal est hydrophile (exemple : insuline). Si le signal est hydrophobe on a un récepteur
intracellulaire (exemple : hormones stéroïdiennes).
En réponse à cette fixation, une cascade de signalisation (représentée sur le schéma par le triangle,
le rond et le carré vert) qui va aller dicter à des effecteurs des actions qu'ils vont entamer. Les
effecteurs sont des enzymes, des facteurs de transcription ou des protéines du cytosquelette.
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Il existe dans notre organisme 4 formes de transmission du signal :
- Une forme contact-dépendant : les cellules adjacentes s'informent l'une et l'autre et
s'envoient des signaux.
- Une forme paracrine : les cellules sécrètent des molécules qui vont agir non pas sur la
cellule directement voisine mais sur le micro-environnement l'entourant (le même tissu).
- La transmission synaptique : les neurones des cellules musculaires par exemple.
- La transmission endocrine : une cellule sécrète une substance « hormone » qui va agir à
distance sur un tissu cible en passant par le compartiment plasmatique/sanguin sur une cellule
cible.
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On va comparer dans ce tableau les avantages/inconvénients des différentes transmissions du
signal :
- Transmission synaptique : le signal agit sur la cellule voisine, l'espace entre les 2 cellules
est très limité et on n’a pas de dispersion du signal, qui a une durée de vie très courte.
- Transmissions paracrine et autocrine : le signal agit sur la cellule voisine ou la cellule ellemême, durée de vie courte.
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- Transmission endocrine (concerne les glandes) : signal diffusé dans le sang, dans tout
l'organisme, le signal est très dilué, l'hormone a une durée de vie très très longue (cmb) et la
réponse est plus tardive.
Signal représenté par le point rouge. 2
formes de réponse au signal (même si l’on a
vu avant qu'il y avait 3 types d’effecteurs) :
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1)Soit la voie de signalisation (représentée
par les flèches roses) module la fonction
d'une protéine (exemple : une protéine du
cytosquelette était relâchée → elle se
contracte). On a déjà notre protéine; mais
elle change d'action. Ici nous avons une
réponse rapide car tout est déjà présent dans
la cellule pour permettre la réponse
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2) Soit il y a fabrication de protéine : on
induit la cascade de signalisation
(représentée par les flèches vertes) qui active le promoteur de gènes cibles → fabrication
d'ARNmessager et on va moduler la synthèse de protéine. Cependant, la réponse est
beaucoup plus lente car il doit y avoir une fabrication de la protéine.
Dans le corps, chaque cellule (en bleu à gauche sur le schéma)
reçoit en même temps plusieurs signaux différents. Par exemple
ici schématisée une cellule et plusieurs signaux : si les signaux
A, B et C arrive sur la même cellule, cette cellule ne change pas
de mode de fonctionnement, elle continue à vivre.
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Si elle reçoit 2 autres signaux (D et E) → elle doit passer en
division cellulaire (mitose).
Si elle reçoit encore 2 autres signaux (F et G) → elle doit se
différencier (exemple : un fibroblaste → cellule musculaire).
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Il peut y avoir une absence de signal ou d'autres signaux qui indiquent à la cellule qu'elle doit
rentrer en apoptose pour laisser la place à d'autres cellules.
N'oubliez donc jamais qu'il n'y a pas qu'une seule hormone qui agit sur une cellule mais plusieurs
hormones en même temps.
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Nature des différentes molécules informatives
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Sur le plan physiologique, les molécules informatives peuvent être :
- Si l'on est dans une synapse, des neurotransmetteurs,
- Si ce sont des hormones, elles sont fabriquées par des glandes (tissus qui sécrètent des
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mélanges protéiques, que ce soit endocrine, salivaire...). Sous le mode endocrine.
On va distinguer :
→ Les hormones qui sont sous le contrôle du SNC (axe hypothalamo-hypophysaire, hormones
thyroïdiennes par exemple).
→ Les hormones hors du contrôle du SNC (exemple : insuline dont la sécrétion est régulée par le
glucose)
- Si l’on est dans un mode de transmission autocrine ou paracrine, on a affaire à des hormones de
croissance (chémokine, cytokine), donc des médiateurs de l'inflammation.
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Sur le plan chimique, les molécules informatives peuvent être :
- Gaz (NO, CO),
- Nucléotides,
- Lipides,
- Protéines/peptides (exemple : insuline).
On va donc les classer soit sur le plan physiologique (neurotransmetteurs, hormones) soit chimique.
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Prenons l'exemple de l’extrémité d'un neurone qui sécrète un neuromédiateur : l’acétylcholine.
Cette molécule va être amenée par les récepteurs des cellules endothéliales des parois vasculaires.
A partir de l'arginine (dans la cellule), il y a une enzyme (la NO synthase) va permettre la
formation de NO (gaz) sécrété qui va agir sur la cellule musculaire lisse. Ce même NO va permettre
la fabrication de GMPc et entraîner la relaxation des cellules musculaires lisses → vasodilatation.
(schéma ci-dessous)
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II - Les récepteurs nucléaires
Les hormones, il y en a que 2 types : celle
qui sont solubles dans les lipides →
hydrophobe
celle qui sont soluble dans l'eau →
hydrophile
Pour les récepteurs nucléaires, on a un
signal hydrophobe qui traverse la
membrane (exemple : hormones
stéroïdiennes) et se lie de manière
spécifique et réversible à un récepteur
intracellulaire (2 mots que l'on doit savoir
selon Lambert). Cette liaison a lieu la plupart du temps dans le noyau ou dans le cytoplasme (sur
le schéma ci-dessous le récepteur inactif est en bas à gauche et le ligand reste la petite bille rouge).
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Cette liaison à cette hormone va entraîner un changement de conformation; en faisant cela le
récepteur peut recruter des co-activateur (en rose) et va être transloqué dans le noyau (s’il n'y est
pas déjà).
Ce récepteur et son ligand vont aller activer les promoteurs de gènes cibles, ils agissent comme
facteur de transcription en modulant la transcription d'ARNm codé par des gènes cibles. Les
signaux hydrophobes sont soit des stéroïdes soit des hormones thyroïdiennes. Tous les lipides
sont des signaux hydrophobes et agissent de la même manière que les hormones hydrophobes.
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Ce mécanisme de récepteur nucléaire s'oppose aux récepteurs membranaires situés sur la membrane
plasmique (toujours différencier les 2 types de signalisation selon la nature de l'hormone).
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Les signaux hydrophiles sont : des peptides/protéines ou des dérivés d'acide aminé.
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III - Les récepteurs membranaires
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Les récepteurs membranaires sont fixés aux membranes; la liaison ligand-récepteur est spécifique,
de haute affinité, réversible et saturable. Vous pouvez ajouter autant d'hormones souhaité, quand
vous atteignez le niveau de saturation maximale : pas de réponse plus grande.
Il y a une transduction du signal, càd que le signal sera transmis de l'extérieur vers l'intérieur de la
cellule et la réponse sera faite par un effecteur. Ici l'hormone ne rentre jamais dans la cellule : c’est
le messager qui s'en occupe.
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4 familles de récepteurs :
- Les récepteurs couplés aux canaux ioniques : le ligand est en rouge et permet l'ouverture
d'un canal ionique et permet l’entrée/ sortie d'ions de la cellule, ici l'hormone est donc la
« molécule signal ». Très important par exemple avec le calcium pour la sécrétion d'insuline.
- Les récepteurs couplés aux protéines G,
- Les récepteurs couplés aux enzymes,
- Les récepteurs couplés à des systèmes protéolytiques.
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Rappel : le signal arrive de l'extérieur, il est reçu par un récepteur et transduit par un
système de transduction; vous avez un récepteur qui dans la plupart des cas traduit le signal
externe en signal interne, le messager secondaire. Il y a une cascade de signalisation avec
modification de protéines (structurales ou enzyme) puis une réponse biologique.
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Contrairement aux hormones hydrophobes, ces hormones font appel au messager secondaire.
On a dans ces cascades de signalisation des interrupteurs moléculaires.
- Vous avez des enzymes qui, lorsqu'elles reçoivent un signal, vont être phosphorylées et devenir
actives.
- Deuxième sorte de transmission du signal dans la cascade de signalisation : l'échange de GDP et
GTP. La protéine est dans une position « off » elle contient dans une poche un GDP, le signal
arrive : le GDP dégage, le GTP se fixe à la place. Le signal est transmis et le GTP est
déphosphorylé et GDP +P.
Ce sont les 2 voies qui existent et ce sont des interrupteurs moléculaires; lors de la cascade de
signalisation nous avons ces 2 options.
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Dans notre voie de signalisation, on a des phénomènes
d'emballement : lorsqu'un stimulus arrive dans une cellule
on a un effet sur une protéine A qui va altérer une protéine
B, il existe des systèmes de régulation positif (très rare en
physiologie les feed-back positifs), ce qui permet d'avoir des
réponses abruptes (comme sur la courbe rouge) au lieu
d'avoir des réponses linéaires (courbe bleue). Grâce à ces
systèmes d’emballement, on a une réponse cellulaire de type
« tout ou rien ».
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IV - Les RCPG (récepteurs couplés aux protéines G)
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Il existe plus de 1000 RCPG, donc difficile de les résumer
en une partie (exemple : R adrénergiques...).
Il sont constitués d'une protéine G, elle-même constituée
de 3 sous-unités : alpha, bêta, gamma (15 alpha, 6 beta
et 12 gamma.. Imaginez le nombre de combinaison
possibles…).
Cette protéines G est couplées à un effecteur, soit une
adénylate cyclase (va cycliser l'AMP en ATP), soit des
canaux potassium, des canaux calcium, soit une
estérase...
Il y a 2 états : inactif ou actif via fixation de l'hormone au
récepteur. Les protéines G marchent avec l'interrupteur
GDP/GTP; la molécule signal arrive sur le récepteur,
transduction du signal à la protéine G (GDP/GTP). De
temps en temps c'est la sous-unité alpha qui est activée et
active à son tour la sous-unité bêta-gamma mais l'inverse
est aussi possible.
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A.La voie AMPc/PKA
Exemple : le cas le plus simple (exemple de la voie
de l'AMPc/PKA) : la protéine G est activée et va à
son tour activer une enzyme (point d'interrogation
marron) qui va transformer l'ATP en AMPc
(messager secondaire). On se retrouve avec de
nombreuses boules rouges : AMPc. Cet AMPpc va
se fixer dans les sous-unités d'une PKA; cette
fixation permettant la séparation des régions
actives de la PKA qui vont dans le noyau activer
un facteur de transcription « CREB »,
phosphorylé, qui agit sur une promoteur de gène.
On a en réponse l'augmentation de la transcription
d'un gène.
Cette voie est impliquée dans le contrôle de la
transcription de gène impliqué dans la synthèse
hormonale des cellules endocrines, par exemple :
le contrôle du métabolisme dans le foie et le
muscle → le glucagon (hyperglycémique) va
induire une réponse sur les enzymes qui vont
permettre de déstocker le glycogène.
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B.La voie IP3/PKC
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Seconde voie : la voie Inositol-3-phopshate (IP3)/PKC.
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Plusieurs étapes :
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1) Pour le récepteur et la protéine G au début, ça fonctionne comme décrit précédemment.
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2) L’effecteur est différent : phospholipase qui va prendre un phospholipide de la membrane,
(phosphatidyl-inositol-biphosphate) et séparer le groupement inositol-3-phosphate (présenté ici par
un hexagone bleue); ce dernier devient un second messager : IP3.
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3) Le reste du phospholipide va servir également : il va recruter une protéine, la PKC
(protéine kinase C) à la membrane.
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4) L’IP3 est un second messager intracellulaire qui va libérer du calcium à partir du RE et
le calcium alors cytoplasmique va activer la PKC qui s’active et va agir en aval.
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Cette voie est importante dans la sécrétion d’amylase en réponse à l’acétylcholine au niveau du
pancréas (digestion), importante dans l’agrégation plaquettaire en réponse à la thrombine.
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C.Famille des protéines G
20 types de sous-unités α, 7 types de sous-unités β et 11 types de sous-unités γ (les nombres
varient par rapport à précédemment car ces nombres intéressent soit la souris, soit
l’Homme... Bref, ce n’est pas à retenir).
Activation des sous-unités α ou βγ.
Les systèmes G peuvent être activés ou inhibés par le signal.
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La diversité des sous-unités des protéines G multiplie les types de réponse à un ligand :
une même hormone qui agit sur un récepteur, selon qu’elle ait un Gα2β3γ2 ou Gα5β8γ3,
induira une réponse différente. On multiplie les possibilités qu’ont les cellules d’adapter leur
réponse au signal : quand du glucagon arrive au niveau musculaire, hépatique ou
adipocytaire, la réponse cellulaire ne sera pas la même. L’adipocyte va déstocker du gras, le
muscle du glycogène, la nature a donc besoin de cette multiplicité de possibilités pour induire
des réponses adaptées à chaque type cellulaire et à chaque situation physiologique.
D.Effecteurs et seconds messagers
Enzymes liées à la membrane plasmique ou canaux ioniques (adénylate cyclase, la phospholipase
C…), pour une multitude de réponses possibles. Les messagers secondaires : l’AMPc, l’IP3, le
calcium, DAG...
➢ Petits médiateurs cellulaires,
➢ Générés en grand nombre après activation du récepteur,
➢ Diffusent rapidement dans la cellule,
➢ AMPc et calcium : hydrosolubles et diffusent dans le cytosol,
➢ DAG : liposoluble, intégré dans la membrane plasmique, il se déplace le long de la
membrane plasmique,
➢ Transduction du signal en se fixant et en phosphorylant des protéines cibles (PKA, PKC,
serine/thréonine kinase).
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E.Modulation de la signalisation cellulaire
La cellule a les moyens de désactiver ces systèmes.
• L’inactivation des enzymes provient des mécanismes de phosphorylation/déphosphorylation.
• Le récepteur peut être internalisé et séquestré.
• La dégradation lysosomale où le récepteur peut être dégradé par les lysosomes ou les
protéasomes.
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Le récepteur active la voie de signalisation et en même temps active une kinase qui va phosphoryler
la partie interne du récepteur lui-même. Une fois le récepteur phosphorylé, l’arrestine va arrêter la
transduction du signal en se fixant au récepteur nouvellement phosphorylé. Il n’y a plus de
transmission du signal, c’est un système de désensibilisation.
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V - Récepteurs enzymes
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Ils fonctionnent tous de la même façon mais reconnaissent des substrats différents.
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A.Mécanismes d’activation des récepteurs tyrosine kinase
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Dimérisation du récepteur,
Liaison du ligand,
Auto-phosphorylation mutuelle des domaines cytoplasmiques. Cette autophophosphorylation va permettre la reconnaissance spécifique par des protéines se fixant
au récepteur par des domaines SH2 ou SH3.
B.La voie de signalisation Ras/MAP kinase
Voie canonique de la prolifération cellulaire, système très fréquemment impliqué dans l’apparition
du cancer.
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Une protéine adaptatrice vient se fixer, puis une protéine effectrice va phosphoryler la protéine Ras
inactive qui elle-même fixe un GTP. Cette protéine Ras va activer une cascade de signalisation via
activation d’une MAP kinase kinase kinase, qui elle-même active une MAP kinase kinase, cette
dernière activant une MAP kinase. Il y aura ensuite une réponse différente selon le type cellulaire.
Une mutation de Ras peut être à l’origine de l’apparition de certains cancers.
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C.PI3 kinase/Akt
Système très important dans le cycle cellulaire donc dans le cancer.
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Ici, phosphorylation du récepteur, activation de protéines partenaires. Le phosphatidyl-inositol-2phosphate est phosphorylé en phosphatidyl-inositol-3-phosphate qui permet le recrutement de 2
protéines : Akt et PDK1, ce dernier phosphoryle Akt qui devient actif et va lui-même phosphoryler
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une autre protéine (en bleu). Cette dernière protéine va inhiber l’apoptose. Lorsque cette voie de
signalisation ne fonctionne pas, vous évitez la mort cellulaire, donc survie et prolifération. Cette
voie est donc aussi impliquée dans l’apparition des cancers. Les anticancéreux peuvent agir à ce
niveau, comme par exemple les inhibiteurs du mTor.
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Il peut y avoir des « discussions croisées » ou cross-talks qui permettent l’activation ou l’inhibition
d’autres voies. Vous imaginez bien que la réponse cellulaire dépend de l’arrivée de tous ces signaux
de manière simultanée et au cours du temps.
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VI - Signalisation médiée par protéolyse
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Mécanisme très important en hormonologie.
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La protéolyse régulée contrôle l’activité ou la localisation intracellulaire de facteurs de
transcription (FT) latents (c’est-à-dire qu’ils attendent un signal pour pouvoir réagir) ou de
protéines annexes interagissant avec ces facteurs. C’est le principe fondamental qu’il faut retenir !
Globalement, cette voie concerne toutes celles qui n’intéressent pas les RCPG et les récepteurs
enzymes.
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4 voies de signalisation fondamentales pour l’organisme fonctionnent de cette manière :
• La voie Notch : clivage protéolytique du facteur de transcription, la partie coupée est la forme
active.
• La forme Wnt/β-catenin : stabilisation du FT (β-catenin) qui n’est pas ubiquitiné, car quand
il est ubiquitiné, il est dégradé dans le protéasome.
• Le système Hedgehog (« hérisson » en anglais) : dégradation lysosomale de l’inhibiteur du
système de transduction
• NFκB : phosphorylation provoquant une ubiquitination de l’inhibiteur (iκB). C’est la
signalisation de l’inflammation en réponse aux TNFs. C’est cette voie qu’il faudra retenir !
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Le TNF (tumor necrosis factor) est un signal très important dans l’inflammation, il va être reconnu
par le récepteur aux TNFs.
Initialement, NFκB (nuclear factor) est retenu
dans le cytoplasme avec son inhibiteur iκB.
Lorsque du TNF signale la cellule, on rentre dans
un processus inflammatoire : on active une iκB
kinase, donc une protéine qui va phosphoryler
iκB.
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Lorsqu’iκB est phosphorylé dans la cellule, des ubiquitine-ligases vont coller sur l’iκB des
groupements ubiquitines (représentés par la chaine rouge). Une protéine poly-ubiquitinylée sera
dégradée dans le protéasome. Donc NKκ est libre, va dans le noyau se fixer sur le promoteur du
gène cible.
Par la suite, NFκB va activer la fabrication d’iκB, donc on revient à l’état normal : c’est un feedback négatif.
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Sur cette image en microscopie à fluorescence, on
marque en rouge NFκB qui, au départ, est
séquestré dans le cytoplasme. Après ajout de TNF,
NFκB est transloqué majoritairement dans le
noyau (noté N).
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Globalement ce qu’il faut retenir : le plan, le principe global des RCPG et récepteur enzymes
(retenir juste une seule voie de signalisation), et l’implication de la voie NFκB dans l’inflammation.
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VII - Physiopathologie des mécanismes de communication
entre cellules
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On peut avoir des troubles liés à des anomalies :
➢ De la synthèse des messages : insuffisance (par exemple, si pas assez d’insuline =>
diabète), hyperfonctionnement.
➢ De l’utilisation des messages (mutations) :
• Pathologie des récepteurs (exemple : résistance des récepteurs à la leptine, donc pas
de signal de satiété conduisant à l’obésité),
• Pathologies des systèmes de transduction,
• Pathologies des systèmes de phosphorylation/désphosphorylation.
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En connaissant le fonctionnement de ces voies de signalisation, on a pu mettre au point des
molécules thérapeutiques :
➢ Agonistes/antagonistes : β-bloquants (pour réguler la pression artérielle), le RU486 antiprogestérone,
➢ Nouveaux traitements contre le cancer.
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