Premier chapitre La réception cellulaire 1. Définition
La réception cellulaire est un phénomène important de la physiologie cellulaire de base, car il permet la communication en permanence entre les cellules vivantes pour former un tissu. Cette communication est assurée par l’activation de récepteurs membranaires, situés à la surface de la membrane plasmique ou de récepteurs activés à l’intérieur du cytoplasme, appelés récepteurs intracellulaires.
L’activation de ces récepteurs cellulaires se fait par la fixation de molécules informatives ou informationnelles qualifiées de premiers messagers (binding protein) qui, selon leur localisation et leur fonction majeures, peuvent être des neurotransmetteurs, des hormones, des cytokines , des facteurs de croissance , ou encore des composants de la matrice extracellulaire.
Les acides nucléiques sont des corps chimiques qui transmettent l’information génétique sous forme de protéines, sont aussi par excellence des molécules informationnelles.
Dans la vie d’un organisme animal, la réception cellulaire est un processus capital, surtout chez les métazoaires. Chez les mammifères, elle est primordiale pour le développement embryonnaire (prolifération et différenciation cellulaire) et fœtal et pour le contrôle de diverses fonctions : métaboliques transmission de l’influx nerveux, division, différenciation et mort cellulaire.
2. Les Pré requis
Les prés requis pour ce premier chapitre sont les suivants :
- Avoir compris la notion de phosphorylation d’une protéine et le changement de sa configuration spatiale suite à la liaison covalente d'un ou plusieurs groupes phosphates, ou l'association avec des nucléotides (Adénosine ou Guanosine).
- Avoir compris la relation entre la signalisation et l'activité enzymatique intracellulaire (effet catalyseur).
3. Les Objectifs
Les objectifs à atteindre dans ce chapitre sont :
- Acquérir une bonne connaissance des premiers messagers (molécules informationnelles ) et comprendre leur rôle important dans la communication cellulaire, et les différents effets biologiques.
- Retenir qu’un récepteur est situé dans la membrane plasmique, ou dans le cytoplasme , il interagit, directement ou indirectement, avec une protéine effectrice, responsable de l'envoi d'un second messager intracellulaire.
- Comprendre le phénomène de transduction du signal et la succession des événements de signalisation se déroulant entre la fixation du premier messager et l'apparition de l'effet physiologique.
4. les récepteurs membranaires 4.1 Définition
Les récepteurs membranaires sont des protéines ou glycoprotéines transmembranaires qui captent des signaux qui sont des molécules hydrosolubles.
Exemple de signaux :
- Les neurotransmetteurs : noradrénaline (NA), acétylcholine (Ach).
- Les hormones peptidiques, ou glycoprotéines : insuline glucagon, vasopressine, FSH, LH
- Dérivés d’acides aminés : adrénaline (épinéphrine), sérotonine, mélatonine, Selon leur organisation moléculaire on peut distinguer trois familles de récepteurs membranaires :
- Les récepteurs couplés aux protéines G (les GPCRs).
- Les récepteurs enzymes.
- Les récepteurs canaux.
Dans ce premier chapitre, nous nous intéresserons au modes de signalisations par les deux premières familles de récepteurs, les GPCRs et les récepteurs enzymes, la troisième famille, celle des récepteurs canaux ligands dépendants, sera abordée dans le quatrième chapitre , physiologie de la cellule nerveuse .
Avant de classer et de déterminer les modes d’action des différents récepteurs membranaires, il est important de définir les molécules informatives et d’expliquer la notion de transduction du signal :
4.1.1 Les molécules informatives
Les molécules informatives ou premiers messagers sont des ligands qui possèdent une affinité envers leurs récepteurs spécifiques, suite a leur fixation il se produit une émission d’un signal intracellulaire appelée « transduction du signal
».
Le signal déclenche, soit une internalisation de l’ensemble, récepteur-molécule informationnelle, soit l’activation des voies métaboliques ou d’enzymes catalysant dans le cytosol la formation d’une autre molécule informative (second messager).
Cette dernière transmets le signal au métabolisme de la cellule, la réponse peut – être une activation ou inhibition. Les molécules seconds messagers sont : les ions (ca++, H+), les alcools dérivés des phospholipides (inositol-phosphate), les nucleotides (AMPc, GMPc) et les lipides (di glycérides et cholesterol) .
Le mode de sécrétion d'un premier messager est varié, le plus souvent, les cellules sécrètent des messagers qui agissent dans l'environnement proche (sécrétion paracrine), d’autre, plus spécialisées regroupées en glandes ont une sécrétion endocrine.
Dans le système nerveux, les 1ers messagers sont des neurotransmetteurs secrétés au niveau des synapses neuronales ou jonctions neuro-musculaire et neuro-glandulaires, ce mode de transmission est qualifié de « synaptique ».
Les molécules informationnelles peuvent être transportées a travers la biomembrane grâce a des transporteurs qui permettent le passage dans le cytoplasme et dans le noyau ou la molécule est reconnue par un récepteur nucléaire. Le complexe formé se fixe sur l’ADN et permet ainsi de transmettre le message aux facteurs activateurs des gènes, la réponse peut-être une induction ou répression.
4.1.2 Notion de Transduction du signal
Les cellules émettrices envoient des signaux interceptés par des récepteurs spécifiques situés à la surface de cellules réceptrices (cellules cibles), a ce niveau il y a transduction du signal : le récepteur est une protéine transmembranaire spécifique qui reçoit le signal et modifie la conformation de la protéine qui la suit.
Une série de protéines à l’intérieur de la cellule constitue la voie de transduction du signal, chaque protéine de la série est modifiée par celle qui se trouve en amont, a son tour elle modifie celle qui se trouve en aval. (Figure 1)
Les réponses cellulaires à la signalisation par les premiers messagers peuvent être très rapides, comme l’acétylcholine (quelques millisecondes) ou de durées moyennes comme l’adrénaline (40 millisecondes). . (Figure 2)
De telles réponses rapides sont possibles parce que le signal affecte l’activité de protéines ou d’autres molécules, qui sont déjà présentes dans la cellule, attendant leur ordre de marche. D’autres réponses prennent plus de temps. La croissance et la division cellulaires, quand elles sont déclenchées par les molécules de signalisation appropriées, peuvent prendre des heures pour se produire. En effet, la réponse à ces signaux extracellulaires nécessite des modifications de l’expression génique et la production de nouvelles protéines. (Figure 3)
La transduction du signal englobe donc tous les procédés par lesquels les récepteurs engagés (dans la membrane plasmique ou intracellulaire) transmettent des signaux dans la cellule. Collectivement, ceux-ci fournissent une représentation symbolique de l'environnement et permettent aux cellules de répondre de manière appropriée aux changements (réponses précoces et tardives).
Figure 1 : Transduction du signal dans la cellule animale et les différents effets biologiques.
Figure2 : Voie de signalisation courte (canal ionique) et longue (récepteur d'adrénaline)
Figure3 : les deux voies : lentes et rapides dans la signalisation cellulaire
4.2 Les récepteurs couples aux protéines G (les GPCRs) 4.2.1 Définition
Les récepteurs liés aux protéines G sont appelés GPCRs (G-Protein Coupled Receptors) , car leur activité nécessite la présence de guanine diphosphate (GDP) qui est phosphorylée pour donner la guanine triphosphate (GTP).
Trois à six pour cent des gènes d’un organisme codent pour des récepteurs couplés aux protéines G. Ces derniers forment la plus grande famille de récepteurs membranaires de la surface cellulaire (environ 1500 récepteurs). Ils sont tous étroitement apparentés à la rhodopsine (pigment visuel des bâtonnets, premier GPCR à avoir été identifié).
La fixation d’un ligand sur un GPCR permet l’activation des voies MAP kinases aboutissant à la prolifération, la différentiation, le développement ou encore à l’apoptose. . elle peut également provoquer la modification de la forme de la cellule, l’altération de l’adhésion ou encore la migration des cellules.
4.2.2 Les molécules informationnelles spécifiques aux GPCRs
Les GPCRs sont les cibles fréquentes de drogues thérapeutiques, Ils sont cependant capables de fixer divers signaux :
- Acide glutamique, Acide γ-aminobutyrique
- Amines : Acétylcholine , Adrénaline , Noradrénaline , Dopamine , Histamine, Melatonine, Sérotonine,
- Peptides endogènes : mélanotropines (α, β et γ), β-endorphine, Met- enképhaline, amyline, angiotensine II
- Photons : rhodopsine des cellules en bâtonnets, opsines rouge, verte et bleue des cônes
- Ions Ca2+
- Composés du système immunitaire : chimiokines, anaphylatoxines C3a et C5a du complément,
4.2. 3 Structure d’un GPCR
La protéine G interagit exclusivement avec des récepteurs à sept domaines transmembranaires, on les qualifie de récepteurs serpentine ou 7TM.
La chaîne polypeptidique qui compose ces récepteurs traverse la MP sept fois sous forme d’une hélice α . Les sept segments transmembranaires traversés par le polypeptide sont organisés en cercle qui contient en son centre une cavité et un site de liaison pour la molécule signal. L’extrémité N-terminale est située du coté extracellulaire, l’extrémité C-terminale du coté hyaloplasmique. La longueur de l’extrémité N-terminale est fonction de la taille du ligand :
* Courte pour l’adrénaline, la noradrénaline et l’acétylcholine.
* Longue pour LH et FSH.
En fonction de leurs séquences d'acides aminés, les GPCRs sont rangés en trois classes ou sous /familles ;
- Classe A « rhodopsin like », - Classe B « secretin like » ,
-Classe C « métabotropique/glutamate/pheromone receptor like »
Figure 4 : Structures et modes d’insertion des différents sous types d’un GPCR de classe A.
Figure5 : Structures et modes d’insertion des différents sous types d’un GPCR de classe B et C.
4.2.4 Structure de La protéine G heterotrimérique
Elle est formée de trois sous unités nommées : α, β, y. La sous-unité G (39-45kDa) fixe la guanine nucléotide. Elle est constituée d'une poche de liaison nucléotidique (domaine « rd »), et d’un domaine en faisceau d'hélices (domaine « hd ») qui recouvre la poche de liaison de GTP. La sous unité (32 kDa) est caractérisée par sept feuillets antiparallèles, appelés WD-repeats, car les séquences d'environ 35 acides aminés du « repeat » se terminent souvent par tryptophane (W) et asparatate (D). L'ensemble des repeats-WD forme une hélice, structure impliquée dans les interactions protéine-protéine. La face dorsale de l'hélice interagit avec la sous-unité G (8 kDa) par une liaison quasiment indissociable, alors que sa face frontale interagit avec la sous-unité G , par une liaison dépendant de l'état de G (inactive , liée au GDP ou active , lié au GTP).
La protéine-G trimérique est liée à la membrane par des queues lipidiques : myristoyl ou palmitoyl (acides gras) pour le G et farnésyl ou géranylgéranyl (isoprénoïdes) pour le G .
Figure6 : structure moléculaire de la protéine G
4.2.5 Etapes d’activation des récepteurs couplés aux protéines G 4.2.5.1 Fixation du premier messager et activation de la protéine G
La fixation du ligand (premier messager) à son récepteur provoque le changement dans sa conformation et accroît son affinité à la protéine G. Ce dernier s’unit à la protéine G α à la face interne de la membrane et produit un complexe récepteur – protéine G. L’interaction du récepteur avec la sous unité α de la protéine G libère le GDPqui lui est fixé et le remplace par un GTP.
La liaison de GTP affaiblit l'interaction entre G et G et le complexe se dissocie. Le G α et le G ainsi libérés interagissent avec des molécules effectrices.
Le récepteur ainsi activé, peut interagir successivement avec plusieurs protéines-G, l'interaction est interrompue lorsque G est chargé en GTP. Le récepteur libéré peut alors recruter d'autres protéines-G dans leur état inactivé (GDP).
4.2.5.2 Activation de l’effecteur
La sous unité G α GTP active un effecteur qui produit un second messager, point de départ de recrutement de protéines, il rapproche substrats et enzymes ou enzymes et leurs co-facteurs. Les réactions qui s'ensuivent conduisent le signal vers l'intérieur.
L’effecteur peut être un canal, une pompe ou une enzyme qui catalyse la synthèse d’un second messager.
4.2.5.3 Reformation du complexe trimère et retour à l’état initial
La sous unité G α séparée possède sa propre activité catalytique : fonctionne comme une GTPase qui hydrolyse Le GTP et produit du GDP lié (protéine G inactivée). Cette neutralisation provoque son détachement de l’effecteur. Un même récepteur sera actif suffisamment longtemps pour activer une centaine de protéines
G avant de retourner à un état inactif. Les differentes etapes d’acgtivation d’un GPCR sont illustrées dans la figure 7.
Figure7 : les étapes d’activation d’un GPCR
Figure8 : cycle de la protéine G αs âpres activation d’un GPCR
4.2.6 Les différents effets biologiques en réponse à l’activation de G α
Les effets observés suite à l’activation de la protéine G dépendent essentiellement de la nature de α ; en effet il y a différents types de sous-unités α, notamment les α s et α i, qui sont présentes dans la quasi-totalité des cellules. (Voir tableau1).
TABLEAU 01: Les effets de l’activation des effecteurs en fonction de la nature de la protéine G α.
Nature de la protéine G α
Rôle stimulateur Effet biologique
G α s
(s : stimulant)
-Activation de l'adénylcyclase (effecteur primaire) avec augmentation de la synthèse d'AMP cyclique (second messager).
-Module l’ouverture des canaux Ca+
(effecteur primaire) .
Augmentation de la Phosphorylation :
L’AMPc active la protéine kinase A (PKA) qui va phosphoryler plusieurs cibles.
Stockage de Ca+ :
activation des Ca ATPases
et pompage de Ca+
Gα i
(i pour inhibiteur)
-Inhibe l'adénylcyclase et diminue la synthèse d'AMPcyclique
-Module l’ouverture des canaux K+(
effecteur primaire)
Phosphorylation diminue
Repolarisation
Gα t
(t pour transducine) présente au niveau des cellules photo - réceptrices
Active une phosphodiestérase (effecteur primaire) qui détruit le GMPc (second messager)
fermeture des canaux Na+, Ca+. hyperpolarisation du nerf optique
4.2.7 Modèle d’'activation d’un GPCR : stimulation de l’effecteur adénylate cyclase (AC) par G α s
L’adénylate cyclase ou l'adénylyl cyclase, est une glycoprotéine membranaire et enzyme clé de la synthèse de L’adénosine monophosphate cyclique (AMPc), il constitue l’effecteur activé par G α s suite à la fixation de l’hormone adrénaline sur son récepteur spécifique.
la fixation de l'adrénaline à l'extérieur de la cellule conduit à la fixation de la protéine- G au récepteur, après échange de GTP pour GDP sur la sous-unité-alpha G α s , cette dernière se détache du complexe pour s'associer ensuite avec l'adenylyl cyclase. L’activation d’adénylate cyclase, permet la conversion de l'ATP en second messager cyclique (AMPc) (figure 9)
Figure 9 : activation de l’adenylate cyclase et production de l’AMPc
La conversion est réalisée en présence de Mg++ et produit du pyrophosphate qui est rapidement hydrolysé, rendant la réaction irréversible.
Figure10 : conversion de l’ATP en AMPc
l’AMPc , ainsi que le GMPc (guanosine monophosphate cyclique) est impliqués dans la régulation de toutes les principales fonctions biologiques. (Tableau 3)
TABLEAU 03 : Action des signaux de nature hormonaux induisant L’AMPc comme second messager.
signal hormonal (messager primaire)
Action incluant l’AMPc (messager secondaire)
Epinephrine et glucagon
Foie et muscle squelettique : Hydrolyse du glycogène- synthèse de glucose- inhibition de la synthèse du glycogène.
Muscle lisse : phosphorylation des canaux ioniques dans les muscles lisse et favoriser l'entrée de calcium et provoquer une contraction.
Vasopressine (ADH) Rein : Augmentation de la perméabilité des cellules épithéliales à l’eau
TSH Tyroïde : Sécrétion des hormones thyroïdes Hormones
parathyroïdes
Os : Augmentation de la résorption du calcium
LH Ovaire : Augmentation de la sécrétion des hormones stéroïdes ACTH Cortex adrénosurénalien : Augmentation de la sécrétion des
lucocorticoides.
Graisse : catabolisme des triacylglycérol.
Dans le cytoplasme, l'AMPc produit va activer la protéine kinase A ( PKA ou cyclic AMP-dependent protein kinase A) . elle est composée de deux sous-unités régulatrices bloquantes a l’état inactivé, et deux autres, catalytiques. Les sous- unités régulatrices, portent chacune, une séquence « pseudosubstrat», qui mime le « vrai substrat », mais qui par manque d'une sérine ou d'une thréonine ne peut être phosphorylée. La liaison avec les molécules d’AMPc conduit à la libération des deux sous-unités catalytiques qui leur sont associées, et peuvent phosphoryler des serines et thréonine. (Figure 11)
Figure 11 : activation de la PKA par l’AMPc
L’activation de PKA exerce de nombreux effets sur la cellule déclenchée par un seul signal (messager primaire).les différentes cibles sont : (figure 12)
- La phosphorylase b kinase : phosphorylée active la phosphorylase responsable de la dégradation du glycogène et la lipase hormono sensible qui est responsable de la dégradation des triglycérides des cellules adipeuses.
(figure 13)
- Les canaux ioniques calciques
- Les récepteurs à sept domaines transmembranaires: leur phosphorylation conduit à leur inactivation, qui est définie comme étant une désensibilisation hétérologue.
- Les facteurs transcriptionnels CREB et CREM : qui modulent la transcription de nombreux gènes.
Figure 12 : les cibles de la PKA
Figure 13 : modèle d’activation d’un GPCR : signalisation par le glucagon.
4.3 Classe des récepteurs enzymes ou récepteurs catalytiques (Les RTKs)
4.3.1 Définition
Se sont des récepteurs des protéines de type I, c’est à dire que la partie N terminale de la protéine est située dans le milieu extracellulaire et la partie C terminale dans le milieu intracellulaire. Ils transmettent l’information en agissant comme une enzyme où peuvent être couplés à des enzymes. Contrairement aux GPCRs, la chaîne polypeptidique traverse la MP une seule fois. L’activité enzymatique est localisée dans le cytoplasme et permet le transfert du phosphate de l’ATP vers l’hydroxyle des tyrosines des protéines cibles et/ou du récepteur lui-même. C’est ce qu’on appelle l’autophosphorylation.
Les RTKs permettent la transmission d’un signal de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule et jouent ainsi un rôle important dans le contrôle de nombreux processus biologiques, tels que le cycle cellulaire, la migration cellulaire, le métabolisme, la prolifération et la différenciation cellulaire . Les RTKs sont classés en 20 familles selon la structure de leurs domaines extracellulaire et intracellulaire. Dans ce premier chapitre, nous développeront les voies de signalisation du récepteur à l’insuline (IR), qui est membre de la grande famille des récepteurs aux facteurs de croissance cellulaire. les facteurs de croissance (non hématopoïétiques) intervenant dans la croissance et le développement cellulaire ainsi que le mode d’activation de leurs récepteurs spécifiques, seront abordés dans le chapitre suivant, la croissance et différenciation cellulaire.
4.3.2 Modèle typique : le récepteur de l’insuline: IR 4.3.2.1 Présentation
Le récepteur de l’insuline appartient à la famille des récepteurs de facteurs de croissance, à activité tyrosine kinase. Ces molécules exercent leur activité sur les protéines comportant un domaine SH2. Ces derniers permettent l’appariement des molécules, ce qui peut démasquer, par exemple, un site enzymatique.
Le récepteur de l’insuline est présent dans touts les tissus d’un organisme animal, mais avec une concentration variable d’un tissu a un autre. En priorité, il est exprimé sur ses trois tissus cibles, le foie, le muscle et le tissu adipeux.
Il existe deux isoformes de récepteur :
- RI-b : isoforme prédominant dans l'ensemble des tissus adultes (foie, muscles squelettiques et tissu adipeux)
- RI-a: surtout exprimé dans les tissus fœtaux, le système nerveux central de l'adulte et chez l’homme dans certaines tumeurs malignes.
Le récepteur IGF1, de la famille des récepteurs de facteurs de croissance, présente une structure similaire à celle du récepteur de l’insuline et une homologie de l’ordre de
50%. La liaison de l’IGF1 sur le RI, ou l’inverse, se fait avec une affinité 100 à 1 000 fois plus faible. Cependant, les concentrations circulantes en IGF1, 100 fois supérieures
à celles de l’insuline (l’IGF1 étant stocké dans le sérum sur des protéines de liaison), pourraient activer le RI.
4.3.2.2 Structure
Le récepteur à l’insuline et le facteur de croissance IGF-1 possèdent deux chaînes α extracellulaires, chacune d’entre elles étant liée à une chaîne β par un pont disulfure, pour former un hétéro-tétramère. Il est constitué de deux paires de sous unités : - Deux sous-unités α (120 kDa), constituent le domaine extracellulaire du récepteur et assurent la fixation de l’insuline grâce à leur partie glucidique. Ce domaine, possède deux régions riches en lysine (L1, L2) et une région riche en cystéine (CR).
Des mutations naturelles du domaine L1 peuvent être responsables d’une affinité réduite du récepteur pour son ligand ou aboutissent à un fonctionnement aberrant du récepteur qui n’est plus correctement recyclé dans la cellule. Les deux chaînes α sont reliées entre elles par des ponts disulfures.
- deux sous-unités β (80 kDa) sont reliées aux deux chaînes α par deux ponts disulfures. Elles forment un domaine transmembranaire, donnant au récepteur une mobilité latérale et un autre intracellulaire, à activité tyrosine kinase possédant une
boucle régulatrice qui occlut le site catalytique tyrosine kinase et le maintient à l’état inactif. Lors de l’activation du récepteur, la liaison de l’ATP sur son site consensus permet le dépliement de cette boucle et sa transphosphorylation (c’est-à-dire la phosphorylation d’une sous-unité β par l’autre) sur des résidus tyrosine.
Figure 14 : structure du récepteur de l’insuline
Remarque : du un point de vue fonctionnel le récepteur de l'insuline se comporte comme une enzyme allostérique dont la chaîne α inhibe l'activité kinase de la chaîne β. La liaison de l'insuline à α (ou protéolyse ou délétion génétique de α) lève cette inhibition.
4.3.2.3 Activation du récepteur - Phosphorylation du récepteur
Lorsque l’insuline se fixe sur son récepteur, il se dimérise avec un récepteur voisin et la transduction du signal au domaine intracellulaire via le segment transmembranaire provoque directement un changement dans la conformation du
récepteur puis son autophosphorylation sur des résidus tyrosine, il s’agit de la cis autophosphorylation. La trans autophosphorylation ne nécessite aucun changement conformationnel , elle est la conséquence de l’ effet de proximité engendré par la dimérisation.
L’activation de la fonction kinase de la partie intracellulaire permet le recrutement d’un ensemble de protéines effectrices permettant d’acheminer le message jusqu’au noyau.
-Phosphorylation des substrats
L’activation totale des domaines tyrosine kinase du récepteur permet la transduction du signal aux protéines substrats encore appelées protéines adaptatrices : IRS (insulin receptor substrate ) et Shc (Src homologous and collagen protein) . (Figure 15)
Ces protéines se positionnent au niveau de la face cytosolique de la membrane plasmique par leur domaine PH (plekstrin homology) qui reconnaît les phospholipides membranaires. Elles interagissent avec les tyrosines phosphoryles du récepteur par leur domaine PTB (phosphotyrosine-binding domain). (Figure 16)
-Phosphorylation des protéines , a domaine Sh2
Les protéines IRS et Shc ainsi phosphorylées sont à leur tour reconnues par les domaines SH2 (src homology 2 ou domaine homologue à src de type 2) de protéines relais, intracellulaires. La transduction du signal par ces dernières, va entrainer des cascades de phosphorylation de protéines impliquées dans deux voies de signalisation distinctes : (figure 17)
A. la signalisation par la phosphatidyl-inositol 3 kinase (PI3) phosphorylée, stimule la voie du métabolisme par la protéine PKB: La PKB phosphorylée active d’autres relais intracellulaires impliqués en priorité dans les effets métaboliques de l’hormone.
Par la voie PKB, l’insuline exerce également un effet anti-apoptotique, en inhibant les effets des protéines proapototiques cytoplasmiques (Bad et Caspases 9) et bloquent l’expression des facteurs de transcription dans le noyau.
B. La signalisation par la protéine Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2) stimule la voie de la MAP kinase : la liaison de Grb2 sur des phosphotyrosines spécifiques permet d’activer le facteur d’échange nucléotidique SOS (son of sevenless) qui active la protéine G Ras dans la membrane plasmique en stimulant
l’échange du GDP contre le GTP. Ras active la kinase Raf, qui phosphoryle alors et active la MAP kinase kinase (MEK) responsable de l’activation par phosphorylation des deux MAP kinases, ERK1 et 2 (extracellular signal-regulated kinase). Celles-ci vont activer la kinase p90rsk impliquée dans la synthèse protéique et vont entrer dans le noyau afin de phosphoryler et activer des facteurs de transcription impliqués dans la prolifération et la différentiation cellulaire.
Figure 16 : autophosphorylation du récepteur de l’insuline activé et phosphorylation des substrats.
Figure 17: voies de signalisation intracellulaire de l’insuline après activation de son récepteur
L’insuline exerce ainsi un effet pléotropique , sa fixation sur son récepteur spécifique entraine des effets biologiques cellulaires variés . En effet, elle intervient dans la survie cellulaire en bloquant l’apoptose et en stimulant la prolifération, elle permet la régulation en parallèle de l’anabolisme et catabolisme, ceci dans toutes les cellules.
La figure suivante , montre l’implication de l’insuline dans la physiologie cellulaire .
Figure 18 : effet pléiotropique de l’insuline
5. LES RECEPTEURS INTRACELLULAIRES
5.1 Définition
Les récepteurs intracellulaires sont des récepteurs qui logent, soit dans le cytoplasme, soit dans le noyau des cellules cibles. Qu’ils soient dans le cytosol ou dans le noyau, ces récepteurs sont appelés récepteurs nucléaires (NRs ; Nuclear Receptors), car lorsqu’ils sont activés par la liaison du ligand, ils agissent comme régulateurs ou facteurs de la transcription dans le noyau : ils agissent dans le noyau (en relayant des signaux hormonaux) et modulent la transcription des gènes en
trans : modification de la transcription du DNA en RNA) , codant des protéines qui à leur tour activent de nombreux autres gènes.
5.2 Nature des molécules de signalisation des récepteurs intracellulaires
Les ligands des récepteurs intracellulaires sont souvent de nature lipidique, donc liposolubles (à effet direct). Leur sécrétion est déclenchée par un signal extracellulaire et leur durée de vie est longue. Le complexe hormone – PP (protéines porteuses plasmatiques spécialisées) se dissocie près de la cellule cible et l’hormone diffuse immédiatement a travers la membrane plasmique.
Les messagers à effet direct sont les hormones stéroïdes, testostérone, estradiol, progestérone, cortisone, aldostérone, l'hormone thyroïdienne, la vitamine D, et les rétinoïdes. En raison de leur caractère lipophile, les messagers traversent la membrane plasmique et interagissent soit avec le récepteur présent dans le cytoplasme dont ils modifient la conformation, soit avec le récepteur présent dans le noyau et c'est le complexe formé qui interagit avec l’ADN.
5.3 Structure
Les récepteurs nucléaires sont constitués de quatre domaines, différents : (figure 19)
5.3.1 Domaine DBD
C’est le domaine de liaison du récepteur à l’ADN, appelé en anglais "DNA Binding Domain". La liaison s’établie sur des séquences d'ADN particulières qui se trouvent à proximité des gènes qu'elles régulent, se sont les éléments de réponse à
l'hormone (HRE ) appelé en anglais "Hormone Responsive Element" . A ce niveau, se trouve également le domaine C constitué d’acides aminés impliqués dans la dimerisation du récepteur.
Le domaine (DBD) est caractérisé par la présence de deux doigts de zinc de type C4 (4 cystéines), dans chaque doigt, la disposition de quatre cystéines invariables permet la chélation d’un ion de zinc . (Figure 20)
Ce domaine possède une taille de 66 à 70 acides aminés. Il est composé de deux hélices alpha et sa séquence protéique est riche en acides aminés basiques. On peut à l’intérieur du DBD définir deux domaines fonctionnels importants :
5.3.1.1 La boîte P (P box)
Cette région est portée par le premier doigt de zinc. C’est elle qui est impliquée dans la reconnaissance du demi-site de l’élément de réponse. (HRE )
5.3.1.2 La boîte D (D box )
Elle est située dans le second doigt de zinc, définit l’écartement entre les deux demi- sites de l’élément de réponse sur l’ADN. La boîte D est impliquée dans la
demerisation du récepteur.
Cette structure en doigt de zinc est très rigide, et impose une topologie spécifique aux domaines DBD, qui permet à une hélice α de se positionner dans le grand sillon de l'ADN. (Figure 21)
5.3.2 Domaine LBD
Le domaine de liaison au ligand appelé en anglais "Ligand Binding Domain». A ce niveau, se trouve également les domaines impliqués: dans la dimerisation ( E et F ) , et l'activation de la transcription ( AF2 )
Tous les récepteurs nucléaires ne possèdent pas de boîte D fonctionnelle dans le DBD, mais tous ceux qui forment des dimères sont liés par leur LBD. Le LBD des récepteurs nucléaires des hormones stéroïdes est également responsable de trois fonctions primordiales dans leur mode d’action : l’interaction avec les protéines HSP en l’absence de ligand et la translocation nucléaire. Il faut noter que la liaison des protéines HSP avec le LBD protège le récepteur de la dégradation et le maintient dans une conformation permettant l’accueil du ligand.
5.3.3 Domaine A / B
C’est le domaine N-terminal , modulateur ,et le plus variable en ce qui concerne la taille et la séquence en acides aminés. Les acides aminés impliqués dans l'activation de la transcription sont situés dans le domaine AF1 (Activating Function 1).
5.3.4 Domaine NLS
C’est la séquence en acides aminés appelée signal de localisation nucléaire "Nuclear Localisation Signal«, elle permet au récepteur activé (fixation du ligand ) d’être reconnu au niveau des pores nucléaires et sa translocation du cytoplasme vers le noyau et d'y rester.
Figure 19 : Structure générale d’un récepteur nucléaire
Figure 20 : structure en doigt de Zinc .
Figure 21 : illustration du rôle des doigts de Zinc dans la dimerisation et la liaison a l’ADN.
La structure hélicoïdale de la "P-box" permet des contacts avec le grand sillon de l'hélice d'ADN.
.Les acides aminés de la "D-box" sont importants pour les interactions avec les groupements phosphates de l'ADN et pour la dimérisation du récepteur.
5.4 Mécanisme d’activation
Selon leur localisation initiale (à l’état inactivé), on classe la superfamille de récepteurs nucléaires en deux grandes familles, celle des récepteurs dits de type I situés dans le cytosol puis délocalisés dans le noyau et celle des récepteurs dits de type II, situés et activés exclusivement dans le noyau.
5.4.1 Activation des récepteurs nucléaires de type I
Cette catégorie de récepteurs regroupe le récepteur des androgènes, le récepteur d'oestrogènes, le récepteur des glucocorticoïdes et le récepteur de la progestérone.
La fixation du ligand sur le récepteur (domaine LBD) initialement présent dans le cytosol induit le changement de sa conformation et la dissociation d'une protéine de choc thermique (Heat Shock Protein ) libérant le domaine DBD . le récepteur activé est transporté (translocation) du cytoplasme vers le noyau par un transport actif.
Dans le noyau, après l'homo-dimérisation, le récepteur se fixe sur une séquence spécifique de l'ADN appelée élément de réponse à l'hormone "Hormone Responsive Element" - HRE. (Figure 22 et 23)
Figure 22 : Signalisation cellulaire par l’activation du récepteur glucocorticoïdes (GR).
Figure 23 : Signalisation cellulaire par l’activation du récepteur des androgènes (AR). La fixation du ligand (testostérone), induit le départ des HSP, et la phosphorylation du Récepteur activé qui subit une translocation vers le noyau, reconnaît l’élément HRE et recrute le complexe activateur de transcription. Le remodelage chromatinien subséquent permet l'assemblage de la machinerie transcriptionnelle et l'activation de la transcription.
5.4.2 Activation des récepteurs nucléaires de type 2
Dans cette famille, nous avons le récepteur de l'acide rétinoïque, le récepteur X des rétinoïdes et le récepteur de l'hormone de la thyroïde.
Ces récepteurs nucléaires de type 2 sont localisés en permanence dans le noyau.
En l'absence de ligand, et sous forme d'hétéro-dimères (Exemple, récepteurs des acides rétinoïques RAR et RXR), ils se fixent à l’ADN, sur un élément de réponse de type DR5 constitué de deux séquences AGGTCA séparées par 5 paires de bases. (figure 24)
Ils sont souvent complexés à des protéines qui bloquent la transcription, les co- répresseurs (dont NCor) et l’ histone désacétylase (HDAC). Apres stimulation, les récepteurs changent de conformation et se dissocient ainsi de leurs co-répresseurs, et HDAC , ils recrutent de protéines co-activatrices de la transcription (CBR , SRC) et une HAT ce qui permet le relachement de la chromatine . La transduction du signal permet l’activation des protéines supplémentaires (dont l'ARN polymérase) qui sont recrutées par les complexes (récepteur-ADN) pour la traduction de l'ADN en ARN messager. (Figure 25).
Figure 24 : Mécanisme d’activation des récepteurs nucléaires de type 2.
Figure 25 : Mécanisme d’activation des récepteurs nucléaires de type 2.
Conclusion
Les récepteurs cellulaires pressentent une grande variabilité dans leurs structures, ainsi que leur mode d’activation, ils signalent des voies intracellulaires multiples interconnectées les unes aux autres, tel que l’activation des enzymes impliquées dans le métabolisme, et la transcription de l’ADN. Comprendre leurs mécanismes de signalisation est la clé de la recherche en physiopathologie cellulaire et domaine de l’oncologie.
