– UE7: Sciences biologiques – Biologie cellulaire

2016-2017
Réception et Transduction du signal
Pr. Paumelle
– UE7: Sciences biologiques –
Biologie cellulaire
Indiquer ici, dans cette police s'il y a une annexe en fin d'heure
Semaine : n°1 (du 30/01/17 au
03/02/17)
Date : 30/01/2017
Heure : de 11h00 à
12h00
Binôme : n°1
Professeur : Pr. PAUMELLE
Correcteur : 31
Remarques du professeur Pré-requis pour Hématologie, Immunologie, Enseignements coordonnées.
Le premier ED pour préparer les TP.
2 autres séances d'ED sont basés sur les cours, sur l'analyse de figure, d'articles.
PLAN DU COURS
I. Introduction
II.Comment les cellules communiquent entre elles ?
III.
Les principes de la communication cellulaire
1- Transmission du signal
2- Réception du signal
A. Récepteurs nucléaires
B. Récepteurs membranaires
C. Récepteurs canaux
D. Récepteurs couplés aux protéines G
E. Récepteurs enzymes
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Réception et Transduction du signal
Pr. Paumelle
I. INTRODUCTION
Les cours magistraux vont nous donner des pistes, des outils que l'on devra utiliser au travers d'expérience,
d'interprétation de résultats pendant les ED/TP.
L'année dernière, on a vu la cellule eucaryote, dans sa globalité, qui est complexe avec une
compartimentation.
Cette année on va prendre du recul pour replacer cette cellule eucaryote au sein d'un organisme, au sein d'un
tissu et essayer de comprendre comment les cellules eucaryotes se comportent, comment elles adaptent leur
comportement cellulaire face à l’environnement.
Objectifs : Toute cellule, au sein d'un organisme multicellulaire, est soumise a des stimuli d'origines diverses
et parfois antagonistes.
→ But : Comprendre les mécanismes moléculaires permettant de définir la réponse cellulaire appropriée
suivant l'environnement (physiologique ou pathologique)
On doit comprendre comment ça se passe.
Les cours de l'an dernier sont importants, ils sont acquis et on va rentrer dans le détail cette année.
Les réponses biologiques principales de la cellule :
Une cellule a besoin de signaux comme des facteurs de croissance ou des signaux mitogènes pour se
diviser et proliférer.
Elle a également besoin de signaux de survie pour proliférer, sinon on a une induction de la mort cellulaire
(même s'il y a des signaux qui induisent sa prolifération et sa croissance).
Il y aura beaucoup de signaux autour de la cellule pour dicter le comportement cellulaire. La cellule va être
capable de :
–
s'orienter vers un programme de prolifération et décroissance cellulaire : quand l'organisme aura
besoin de remplacer des cellules qui meurent.
–
Si la cellule n'a pas de signaux de survie : la cellule s'oriente vers l'apoptose.
–
Une cellule qui s'est suffisamment divisé peut aussi se différencier. La cellule pourra alors exercer
des choses particulières comme l'inflammation, le métabolisme..
–
une cellule peut aussi se déplacer, migrer pour former des structures, des organes.. Elle pourra
aller coloniser un autre tissu (cela dépend des faceturs qui sont présents autour de la cellule).
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→ On a des acteurs moléculaires qui induisent ces changements, ces comportements.
La cellule s'adapte grâce :
1) Aux récepteurs des signaux environnementaux
La cellule doit recevoir les signaux. Elle ne répond pas à tous les signaux et a absolument besoin de
récepteurs.
Il y a 2 types de récepteurs :
•
Récepteurs membranaires
Ils fixent des signaux hydrophiles, qui ne peuvent pas passer la membrane plasmique.
Transmission de l'information dans la cellule puis active une cascade de transduction des gènes.
Ils sont présents au niveau de la membrane plasmique.
•
Récepteurs nucléaires
Ils reçoivent aussi des messages.
Ils sont présents soit dans le cytoplasme, soit dans le noyau = dans la cellule.
Ils fixent des signaux hydrophobes qui traversent la membrane plasmique
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Cela induit un engagement dans différents programmes (prolifération, différentiation, migration).
La réponse d'une cellule dépend de la réception du signal via les récepteurs et du contrôle de l'expression
des gènes. L'expression des gènes sera différente en fonction de la réponse biologique qui sera induite.
2) Dépend du contrôle de l'expression des gènes et des protéines :
Cela se fait à différents niveaux de contrôle :
A) Réception et transduction du signal
Au niveau de la cellule, on a des récepteurs qui reçoivent des signaux/Stimulis extra ou intra cellulaire,
conduisant à l'activation ou inactivation d'un gène.
Signaux :
→ Hormones, facteurs de croissance, cytokines
→ Nutriments, toxiques, médicaments
B) Régulation de la transcription des gènes:
Transcription de l'ADN en ARN.
Il peut subir d'autres régulations : génétique, épigénétique, ou rôle des facteurs de transcription.
C) Régulation post-transcriptionnelles sur l'ARNm
→ Régulation de la Maturation, transport ou localisation.
→ Régulation sur sa traduction et sa dégradation.
D) Régulations post-traductionnelles sur la protéine
→ Modifications post-traductionnelles => Dégradation ou activité.
Ce n'est pas parce qu'une protéine est synthétisée qu'elle va jouer un rôle, elle a besoin parfois d'être modifiée
pour être activée.
Ex : phosphorylation pour permettre l'activation.
→ Pour qu'une réponse soit induite, il y a tout un tas de régulations qui agissent.
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Objectif : A la suite des cours, on doit être en mesure :
–
savoir nommer les différentes familles de récepteurs et leur mécanisme de transduction du signal →
cours n°1.
–
Nommer les différentes protéines impliquées dans les oies de contrôle du cycle cellulaire et de
l'apoptose.
–
Définir la fonction des différentes protéines impliquées dans les voies de contrôle du cycle cellulaire
et de l'apoptose.
–
Connaître le principe des techniques permettant d'étudier le cycle cellulaire et l'apoptose et leur
application.
–
Décrire une figure d'article et l'interpréter.
II.Comment les cellules communiquent entre elles ?
Capable de communiquer au sein de l'organisme.
Il y a plusieurs cas de figure :
Quand les cellules sont proches les unes des autres :
–
les cellules sont proches les unes des autres et pourront faire des pores au niveau de la membrane
plasmique entre elles : ce sont des jonctions communicantes appelées GAP
Ces communications se font en transmettant un second messager. C'est une molécule soluble, très petite.
Elle va passer d'une cellule à une autre, et de cette manière ça va influencer le comportement de la cellule
voisine.
Exemples de 2nd messagers : AMP cyclique, des ions, calcium..
Ce sont de toutes petites molécules qui vont être capable de se fixer des enzymes dans la cellule et d'induire
un message à la cellule voisine, pour que la cellule voisine ait le même comportement que la cellule qui est à
côté.
2ème type de communication :
Les cellules sont proches mais ne sont pas collées : via les molécules d'adhérence responsable de la
reconnaissance et de l'adhérence entre les cellules.
Quand les cellules sont toujours proches mais elles ne sont pas collées : le message peut passer par l'envoie
de signaux à courte distance.
C'est le cas quand les cellules adhèrent les unes aux autres grâce à des protéines d'adhérence, comme les
cathérines (adhérence MEC- cellule) ou les intégrines (cellule-cellule).
Ces protéines d'adhérences permettent de transmettre un signal dans la cellule.
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Si une cellule, pour survivre, a besoin d'adhérer à une autre cellule il faut qu'il y ait des molécules
d'adhérences.
Cela induit une vraie réponse biologique, pas que pour l'attachement.
→ Cela ne permet pas juste l'adhérence mais aussi l'induction d'une réponse biologique.
Les cellules sont + ou – éloignées :
Les cellules ne sont pas proches les unes des autres mais elles sont quand même dans un environnement
proche. Là, les cellules vont communiquer et transmettre un message par sécrétion de signaux chimiques =
les molécules de signalisation extracellulaire.
On a 2 types de cellules :
–
des cellules émettrices qui sécrètent les molécules de signalisation, les médiateurs chimiques
–
les cellules réceptrices qui possèdent les récepteurs de cette molécule de signalisation
extracellulaire
On a une communication par sécrétion d'une molécule sécrétée par la cellule émettrice puis réception de la
molécule garce à des récepteurs présent sur la cellule réceptrice.
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III.
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Les principes de la communication cellulaire
1- Transmission du signal
Comment le signal est-il transmit ?
→ Transmission paracrine : cellules émettrice et réceptrice sont 2 cellules différentes.
Ex : facteurs de croissance/ mitogènes (EGF, FGF)
→ Transmission autocrine : cellule émettrice et réceptrice sont la même cellule. Les cellules sont
capables de produire leur propre facteur de croissance, mitogène... On voit ça au cours d’un
développement, de la différenciation d’un tissu. Cela permet à un grand groupe de cellules de se
différencier toutes de la même façon à un même moment.
Ex : dans différenciation d'un tissu, quand un groupe de cellule se différencie au même moment et agisse de
la même façon. Notamment observée au niveau des cellules cancéreuses, elles synthétisent leurs propres
facteurs de croissance.
→ Transmission autocrine et paracrine : Les cellules sont quand même assez proches, la cellule diffuse dans
un environnement proche, environnement de la cellule émettrice.
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Quand les cellules sont beaucoup plus éloignées:
→ Transmission Endocrine : La cellule émettrice va synthétiser une molécule de signalisation
intracellulaire qui va emprunter la circulation sanguine, pour pouvoir parcourir de plus longues distances et
rejoindre la molécule cible, qui possède le récepteur. La molécule de signalisation va parcourir de très longue
distance. La cellule émettrice, on l'appelle la cellule endocrine et la molécule de signalisation
extratracellulaire qui est produite est bien c'est une hormone. Ce sont les cellules qui possèdent ces
récepteurs qui répondront.
Ex : Corticostérone et insuline : hormones qui sont des molécules de signalisation, qui empruntent la
circulation sanguine pour accéder aux cellules cibles. L'insuline est produite par les cellules bêta
pancréatiques du pancréas, cette insuline va aller se fixer sur le récepteur des cellules insulino-dépendantes
(foie, tissu adipeux), et induire une réponse biologique particulière de ces cellules : captation du glucose
sanguin par les hépatocytes pour produire du glycogène.
Elles vont se diffuser dans tout l'organisme, cela prend un peu plus de temps qu'une réponse locale (de l'ordre
de la seconde pour la diffusion locale, et de l'ordre de la minute ou de l'heure pour la sécrétion endocrine)
→ Transmission plus lente.
→ Transmission Neuronale : se fait également sur des très longues distances. C'est un peu
différent, parce que ce n'est pas la molécule de signalisation qui va être sécrétée et parcourir de très longues
distances. La molécule de signalisation va parcourir la distance dans la cellule neuronale, dans l'axone de la
cellule neuronale. Un axone mesure plusieurs mètres. Les neurotransmetteurs présents dans les vésicules
vont parcourir toute cette distance pour finalement être sécrétés localement au niveau de la cellule cible =
cellule réceptrice (cellule musculaire ou neurone).
La transmission neuronale est différente par rapport à l'endocrine, la molécule de signalisation parcourt de
très longues distances, mais finalement, elle n'est pas sécrétée. Ce n'est pas sa sécrétion. Elle parcourt de
longues distances dans la cellule nerveuse. Cette transmission est très rapide de l'ordre de la milliseconde.
Ex: Acétylcholine
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2- Réception du signal
Il y a deux types de récepteurs :
–
membranaires.
–
Nucléaires.
A. Les récepteurs nucléaires
Une fois que le signal est transmis, il va être réceptionné par différents types de récepteurs.
→ Les récepteurs nucléaires :
Ils sont situés soit :
–
dans la cellule
–
dans le cytoplasme
–
dans le noyau.
Ceux qui sont situés dans le cytoplasme, une fois qu'ils fixent leur molécule de signalisation, pourront aller
dans le noyau. Ce sont des protéines intracellulaires, qui sont dans le cytoplasme et/ou dans le noyau, parce
que leur destinée est d'aller dans le noyau.
Ces récepteurs sont des facteurs de transcription qui sont activés par un ligand (Acides gras, hormones).
Ce sont des récepteurs capable de fixer la molécule de signalisation et ensuite d'aller dans le noyau.
Ce sont donc à la fois des récepteurs et des facteurs de transcription. Ils régulent l'expression des gènes.
Tous les récepteurs nucléaires possèdent un domaine de liaison à l'ADN, comme les facteurs de transcription.
Ils se fixent à des endroits particulier, dans les promoteurs de leur gène cible.
Ces récepteurs n'ont pas besoin de transduction du signal, car ils fixent la molécule de signalisation et c'est
eux qui vont directement dans le noyau. Ils n'ont pas besoin de transmettre le signal à d'autres protéines
existantes dans la cellule pour aller jusqu'au noyau.
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B. Les récepteurs membranaires
Les récepteurs membranaires ont besoin de faire la transduction du signal.
→ récepteur canaux : à ouverture contrôlée par des neurotransmetteurs (transmission synaptique), les
ligands vont provoquer l'ouverture du récepteur et se fixer dessus et donc ça permet le passage d'ion qui va
induire une dépolarisation de la membrane.
→ récepteurs couplé aux protéines G : divisé en 3 composantes :
–
le récepteur en lui même qui fixe la molécule de signalisation.
–
Une protéine G qui va s’activer, lorsque le récepteur va fixer la molécule de signalisation.
–
un effecteur : permet de transmettre le signal dans le cytoplasme de la cellule : enzyme ou canal.
Tout se passe au niveau de la membrane, même s'il y a 3 composantes, il y a une transmission du signal qui
va se faire déjà au départ au niveau de la membrane et on verra qu'à partir de l’effecteur on aura une
transduction du signal dans la cellule pour transmettre le message et induire la réponse biologique.
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→ Récepteur enzyme : tout en un. Une seule protéine, un seul récepteur. Le récepteur est capable de fixer la
molécule de signalisation extracellulaire et possède un domaine catalytique (activité enzyme) au niveau de
son domaine intracellulaire pour induire la réponse biologique. Il n'y a pas d'autres composantes, il est
multitâche, il fixe le ligand et en même temps il est capable de transmettre le signal dans la cellule.
Le principe des récepteurs membranaires:
Ils restent à la membrane, il faut qu'ils arrivent à se débrouiller une fois qu'ils reconnaissent le signal. Le
récepteur doit être spécifique du signal qu'il va fixer. Un récepteur ne va pas fixer n'importe quel signal.
Une fois que le récepteur a fixé, s'il veut transmettre un signal dans la cellule, il ne peut pas se décrocher de
la membrane et partir de la cellule pour aller dans le noyau et le lieu de la transcription des gènes. Il a besoin
d'un tas de protéine pour transmettre le signal : On appelle ça la transduction du signal. Tous les récepteurs
membranaires font de la transduction du signal. C'est à dire que leur fonction à eux, c'est de réceptionner le
signal à la membrane et ensuite de traduire ce signal en a un second messager, qui lui va diffuser dans le
cytoplasme, qui émet le message. Chacun va se passer le message à la suite des autres, pour s'assurer que le
message a été transmis.
L'objectif est qu'il ne soit pas trop amplifié, déformé.
1er messager : c'est la molécule de signalisation extracellulaire.
Ce second messager est produite suite à la fixation du premier messager
Le second messager peut être du calcium, de l'AMPc, de l'inositol triphosphate. Ils peuvent diffuser
facilement à travers la cellule. Et qui vont aller se fixer sur des protéines pour les activer ou pour les
inactiver.
Le second messager va permettre la réponse cellulaire :
–
activation d'enzyme
–
stimulation du trafic intracellulaire
–
stimulation de la transcription et de la traduction.
–
Contrôle du cycle cellulaire et de la croissance cellulaire.
Le second messager va être responsable de tout ceci, mais il ne va pas le faire seul, il va être aidé par un tas
de protéine.
La réception du signal :
Dans les mécanismes de transduction, on observe des phénomènes de phosphorylation : du récepteur
jusqu'à l'expression de gènes. Le second messager est produit et va activer une protéine, cette protéine c'est
une protéine kinase, une fois activée elle va phosphoryler une autre protéine kinase (qui est sa cible) et cette
protéine kinase va phosphoryler une autre protéine. C'est une cascade de phosphorylation. On amplifie
énormément le signal. Le second messager produit en quantité, qui va se fixer sur plusieurs protéines, par
exemple 5 protéines vont phosphoryler chacune 10 autres protéines. Et ces 10 protéines vont phosphoryler
10 autres protéines. On augmente énormément la réponse cellulaire.
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Les protéines kinases vont être capables de phosphoryler 3 acides aminés différentes : résidus tyrosine,
résidus sérine et résidus thréonine.
La protéine kinase qui va phosphoryler les résidus tyrosine, on va les appeler: tyrosine kinase
La protéine kinase qui va phosphoryler les résidus sérine et thréonine : sérine-thréonine kinase
On a donc 2 classes de kinases.
C. Les récepteurs canaux :
Récepteurs des neurotransmetteurs transmettent un signal entre :
–
cellules nerveuses : jonction synaptique
–
cellules musculaires et nerveuses : jonction neuromusculaire
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Les terminaisons d'un axone sont proches des fibres musculaires. On a 3 fibres musculaires.
On a une jonction neuromusculaire où on va voir des récepteurs canaux sur les cellules musculaires, qui sont
au départ fermés. Ces récepteurs canaux vont s'ouvrir suite à la fixation des neurotransmetteurs.
Cela induit une entrée d’ion, modification de la perméabilité membranaire, entrée de calcium et
augmentation de la contraction musculaire.
Récepteur qui fixe l’acétylcholine : récepteur cholinergique.
D. Les récepteurs couplés aux protéines G
Les récepteurs couplés aux protéines G, c'est la plus grande famille des récepteurs qui existe.
Ces récepteurs sont constitués, présents au niveau de la membrane plasmique. Ils possèdent 7 traversées. Ils
traversent 7 fois la membrane plasmique.
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Ils possèdent une extrémité N terminal, qui est situé au niveau extracellulaire, qui va donc fixer la protéine
de signalisation, qui peut être de différent type : hormone, acide gras, facteurs de croissances... Et possède un
domaine C terminal qui est intracellulaire, qui va faire la connexion avec la protéine G associé au
récepteur.
C'est une protéine G hétérotrimérique. Il existe 3 sous unités, 3 protéines, alpha, beta et gamma.
C'est la sous unité alpha qui fixe soit le GDP ou GTP, et c'est ça qui va rendre active/inactive la protéine G.
Sous la forme GTP active et GDP inactive.
Cette protéine G est ancrée dans la membrane.
Activation des protéines G
Lorsque la cellule est en présence de la molécule de signalisation que le récepteur reconnaît, elle va se fixer
au niveau du N terminal. Cela va induire un changement de conformation du récepteur qui va recruter la
protéine G et va provoquer un échange de GDP contre GTP et une fois que la sous unité alpha de la protéine
G a fixé le GTP, elle va se détacher des deux autres unités (bêta et gamma) et elle va se rapprocher de
l’effecteur qui peut être un canal ou enzyme. Cet effecteur va être activé et va permettre la libération d'un
second messager, une molécule soluble qui va pouvoir aller diffuser dans le cytoplasme et ça va se faire
entre 1 et 5 minutes. Pendant 1 à 5 minutes, l’effecteur va être active et va produire des seconds messagers.
Ce second messager va diffuser dans la cellule et va aller activer les protéines cibles.
Ensuite on va avoir arrêt de la transduction du signal. Dans la signalisation, dans la transmission du
signal, il faut que le signal soit reconnu, transmis et que l'effecteur le reçoit, il faut qu'à un moment, ça
s'arrête.
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Activation de l'effecteur et production de seconds messagers et arrêt de la réaction de transduction
On va avoir hydrolyse du GTP en GDP, c'est la sous unité alpha de la protéine G qui possède une activité
GTPase, et c'est elle qui va hydrolyser le GTP en GDP. Ça va créer une dissociation. La sous unité alpha va
se réassocier aux 2 autres sous unités pour rentre le système inactif. On a un retour initial du système
inactif.
Second messager et réponse cellulaire :
Cela dépend de beaucoup de chose, on a plusieurs types de 2nd messagers différents.
Cela dépend de :
–
la molécule de signalisation extracellulaire,
–
la protéine G connectée au récepteur,
–
l'effecteur activé (enzyme, phospholipase A2 ou C, canaux ioniques)
On a différentes sous-unités alpha
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Exemple : Protéines GalphaS dans le récepteur du glucagon
Glucagon est une hormone synthétisé par cellule endocrine alpha du pancréas en période de jeûne.
Il emprunte la circulation sanguine et se fixe notamment sur les cellules hépatiques qui présentent des
récepteurs de glucagon.
Cela maintient la glycémie en période de jeûne au niveau du foie. Glucagon favorise la production de
glucose au niveau du foie en induisant l'expression des gènes de la gluconéogenèse
Glucagon est produit dans le pancréas, circule dans le sang, se fixe aux récepteurs du glucagon dans le foie.
Cela active la sous-unité alpha de la protéine G sous forme GTP qui elle active l'adénylate cyclase qui
transforme l'ATP en l'AMPc.
AMPc est un 2nd messager qui diffuse dans tout le cytoplasme de la cellule.
Quand AMPc rencontre la protéine kinase A (AMPc dépendante), AMPc se fixe sur la protéine kinase qui
possède 4 sous-unités : 2 régulatrices (blanc) et 2 régulatrices (bleu)
PKA présente dans la cellule mais inactive. Puis quand le taux d'AMPc augmente suite à la présence de
glucagon, on a l'AMPc qui se fixe sur les sous-unités régulatrices de la PKA
Cela provoque une dissociation des sous-unités régulatrices, catalytiques de la PKA et une libération de la
PKA
La PKA devient active et est transportée dans le noyau car possède la séquence NLS puis phosphoryle un
facteur de transcription : Creb
Creb lorsqu'il est phosphorylé est capable de se fixer au niveau de l'ADN au niveau de promoteurs de gène
cible, cela permet l'induction de la transcription et de la traduction de nouvelle protéines comme la gluco-6Phosphatase qui joue un rôle dans la gluconéogenèse.
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E. Les récepteurs enzymes
Ces récepteurs ont :
–
une seule traversée membranaire,
–
un domaine extracellulaire qui fixe la molécule de signalisation
Un domaine catalytique qui a une activité enzyme (tyrosine kinase, tyrosine phosphatase, guanylyl cyclase)
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→ impliqué dans prolifération, différenciation.
Activation du récepteur tyrosine kinase :
Présence de sa molécule de signalisation, fixation qui provoque le rapprochement des membranes plasmiques des
2 récepteurs = c'est la dimérisation.
Cette dimérisation provoque l'activation du récepteur par l'autophosphorylation. La partie catalytique d'un
récepteur (partie tyrosine kinase) va phosphoryler le récepteur voisin et vice versa. → Activité de protéine kinase
Activation par dimérisation avec un autre récepteur car c'est le domaine catalytique de l'autre récepteur qui va le
phosphoryler.
Au niveau de la membrane on a besoin de :
1) Fixation molécule de signalisation
2) Dimérisation
3) Autophosphorylation
→ Cette phosphorylation sur plein de résidus tyrosine va provoquer le recrutement de plusieurs effecteurs qui
vont jouer un rôle important dans la transmission du signal.
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