Communication Intercellulaire Transmission Chimique Des Informations
I. Introduction
A. La communication intercellulaire est l’une des caractéristiques des organismes pluricellulaire
C’est un élément fondamental à la vie. La communication intercellulaire est très importante, c'est l'une des caractéristiques des organismes pluricellulaires. Les organismes pluricellulaires ont besoin de communiquer avec l'extérieur.
Il y a environ 200 types cellulaires spécialisés (foie, peau…) dans l'organisme, et chacune d'entre elles développe un système de communication spécifique. Par réception/émission du signal.
Le mode d'action reste cependant uniformisé : réception du signal, intégration et transmission de cette information à l'intérieur de la cellule.
Métazoaires = organismes pluricellulaires nécessitent la coopération intercellulaire.
Lorsqu’on enlève les signaux extérieurs d’une cellule, elle va mourir.
B. Son importance en pathologie et en thérapeutique
Il est nécessaire de comprendre la communication cellulaire en pathologie et en thérapeutique. La communication cellulaire est nécessaire pour être en bonne santé ; en cas de pathologie des défauts de communication peuvent engendrer des cancers par exemple.
Le cancer est un problème du génome, mais c'est à l'origine un problème de la communication intercellulaire.
Une cellule cancéreuse perd la communication avec les autres cellules qui l'entourent, et perd certaines réponses au dialogue intercellulaire, telles que la réponse à l’inhibition de contact induite par les CAM. Elle vit de façon autonome, et ne répond plus aux signaux extérieurs d'alerte. Elle échappe ainsi à la mort provoquée par apoptose et prolifère anarchiquement.
Par exemple, les cadhérines assurent l'adhérence entre les cellules (notamment les cellules
épithéliales). Si on les bloque avec un anticorps, elles perdent l'inhibition de contact et se multiplient anarchiquement. C’est donc une anomalie de communication intercellulaire.
C’est quoi une inhibition de contact ?
C. Les trois modalités principales de la communication intercellulaire
La communication intercellulaire repose sur 3 modalités principales : - Adhérence qui existe pour les cadhérines par exemple, - Jonctions communicantes,
- Signaux chimiques, dont nous allons parler aujourd’hui.
1. Adhérence
Rappel : Ch2 – Fig 9 : La transduction mécano-chimique déclenchée par la mise en jeu des molécules d'adhérence CAM ou SAM
Il y a communication entre deux cellules qui entrent en contact par des CAM. Un signal
extracellulaire peut être transmis par les CAM et les SAM vers le cytosol (kinases, G monomérique…) ouvers le noyau par l’activation de FRT, qui constitue une réponse plus tardive. Ce qui va entraîner des modifications du cytosquelette, du métabolisme cellulaire, l’activation d’enzyme telle que les protéines G, sur des fonctions transcriptionelles dans le noyau.
Une cellule interagit avec des CAM d’une autre cellule, ce qui leur permet d’y adhérer. Une fois l’adhérence établie, un message (par la mécanotransduction) peut être transmis.
2. Jonctions communicantes
Certains signaux d'informations (IP3, Ca++..) sont capables de passer d'une cellule à l'autre par des jonctions communicantes.
Si l'on augmente le calcium d'une cellule,on stimule un astrocyte en culture et on voit en quelques secondes qu’il y a une augmentation dans les cellules voisines via les jonctions communiquantes.
Ces jonctions sont formées par des connexons avec 6 connexines, qui ont la capacité de s’ouvrir et de se fermer. Il y passage d’une cellule à l’autre, dans les 2 sens. Les jonctions sont régulées ; il y a des contraintes concernant le passage au travers de celles-ci (comme le PM).
➔Ch2 – Fig 21 : Perméabilité des jonctions communicantes
Exemple de la capacité de ces jonctions communicantes : variation de la concentration cytosolique en calcium. Le calcium peut ouvrir ses jonctions communicantes pour laisser des petites molécules.
Il y a une propagation tout autour de la cellule, elle se fait grâce aux jonctions communicantes.
D. Les 4 stratégies de la communication intercellulaire par signaux chimiques diffèrent en fonction de la distance
Ch11 – Fig 1 : Les 4 modes de communication intercellulaire par signaux chimiques extracellulaires
Les 4 stratégies de la communication par signaux chimiques diffèrent en fonction de la distance qui sépare la cellule émettrice du signal de la cellule cible.
✓ mode endocrine, pour la plus longue distance entre la cellule émettrice (ici sécrétrice) et la cellule cible
Une hormone est sécrétée, est véhiculée dans la circulation sanguine et arrive à la cellule cible. et a une fonction biologique (avec une distance qui peut être variable)
Exemple de l'érythropoïétine (c’est une hormone, petite protéine c’est une cellule épithéliale sécrétée dans le rein) (bien connu pour les cyclistes pour le dopage pour avoir plus de globules rouges) qui se trouve dans le rein, qui est véhiculée jusqu'à la moelle osseuse c’est-à-dire dans les os qui est à l’origine des globules rouges. (On en donne aux patients en insuffisance rénale)
✓ Mode paracrine, pour une distance courte (le lieu cible est local), lorsque la cellule émettrice/sécrétrice est proche des cellules cibles par un médiateur chimique local :
Interleukine 2 dans les cellules de l'immunité
EGF (facteur de croissance) (cancer du poumon ou du colon) ; physiologiquement produit par les cellules (de la peau) épithéliales et se fixe sur les récepteurs (membranaires) à activité tyrosine-kinase. Il est impliqué dans beaucoup de phénomènes physiologiques mais aussi en pathologie (cancers notamment). -->
hyperproduction
✓ Mode autocrine, proche du mode paracrine mais pour des distances encore plus courtes puisque la cellule émettrice est la même que la cellule cible grâce à des récepteurs présents sur sa membrane plasmique (la cellule sécrète et reçoit) :
Les Lymphocytes T produisent un signal de croissance, l’Interleukine 2 qui va se fixer sur un récepteur du LT, ils vont alors se multiplier, c’est une boucle autocrine (lors d’une agression virale ou bactérienne, l’organisme a besoin de plus de cellules de l’immunité). Il est là pour combattre les infections. La distance parcourue par ce signal est très réduite. Dans le VIH, les LT ne peuvent pas se multiplier.
✓ Mode synaptique pour une distance extrêmement courte, la cellule émettrice est en contact
avec la cellule cible, elles sont uniquement séparées par une fente synaptique très fine. C’est une communication très rapide :
Neurones libérant des neurotransmetteurs exocytés sous l’effet d’un stimulus (par une dépolarisation de la membrane plasmique) : augmentation de Ca++
Dans le cas du cancer, des cellules tumorales peuvent sécréter de manière paracrine des facteurs de croissance, les EGF. Ceux-ci induisent la prolifération constitutive des cellules tumorales ils sont donc à la base de la maladie.
Ch11 – Fig 2 : Comparaison entre communication synaptique et par voie endocrine
Dans la communication par voie endocrine, le message a une longue distance à parcourir à travers la circulation sanguine. Arrivés à la cellule cible, les signaux sont différents de ceux de départ. Les hormones sont déversées dans la circulation sanguine ; le signal se retrouve donc dispersé.
La communication endocrine se fait par l'intermédiaire d'une hormone, (premier messager) libérée dans la circulation générale, qui agit à distance sur la cellule cible qui possède le récepteur de l'hormone. Un délai est nécessaire à la réponse.
Les différents messages sont donc dispersés et dilué dans la circulation sanguine.
L'érythropoïétine est une hormone, qui suit donc la voie endocrine :
- produite par les cellules épithéliales du rein sous l’effet d’un stimulus, - véhiculée par la circulation sanguine,
- dirigée vers la moelle osseuse (à l’origine de toutes les cellules sanguines), qui se trouve dans l'os, où elle active la différenciation en GR.
Celles ci vont alors jouer leur rôle de transporteurs d’O2. Elle est administrée aux patients ayant un déficit en GR.
Des patients ayant une insuffisance rénale ont ainsi un déficit en GR, puisque l'altération des cellules émettrices empêche la fabrication d'EPO.
Les cyclistes l’utilisent pour produire encore plus de GR en tant que dopage. Augmentation de la capacité à produire des globules rouge donc meilleure oxygénation des muscles donc une récupération plus facile
Lors d’une insuffisance rénale, c’est-à-dire chez les patients qui ont un tissu rénal donc des cellules épithéliales du rein déficientes, donc qui sont incapables de produire de l’érythropoïétine, un des premiers signes chez ces patiens c’est une diminution de la production des globules rouges. Ce qui montre en pathologie la rupture de communication intercellulaire, ici la perte du signal, va conduire à un phénomène qui va être difficile à surmonter : le manque de globules rouges.
Prix Nobel de médecine de cette année : régulation de l’oxygénation des tissus et en particuliers de l’expression de l’érythropoïétine.
Dans le cas d'un signal faisant un court trajet avec une communication synaptique, il n'y a pas de dispersion du signal car les cellules sont très proches, la concentration du messager n'est quasiment pas changée.
La communication se fait par l'intermédiaire d'un neurotransmetteur (premier messager) libéré dans la fente synaptique, sans dispersion de signal car le signal est libéré à chaque jonction de la cellule neuronal et de la cellule cible.
II. Communication Intercellulaire par l'intermédiaire de signaux chimiques
Il y a 3 types de signaux : - gazeux
- hydrosolubles - liposolubles
Ch11 – Fig 3 : Les 3 types de signaux chimiques A. Signaux gazeux
Les signaux chimiques gazeux sont des radicaux libres toxiques pour la cellule à forte concentration.
Ils ont une durée de vie très courte, de quelques ms. La cellule émettrice doit donc être proche de la cellule cible.
Le signal chimique gazeux va traverser la membrane plasmique par diffusion simple, il n’y pas de récepteurs membranaires ou nucléaires. Durée de vie très courte, quelques ms minutes seulement.
Le gaz se retrouve dans le cytosol et va activer l’enzyme, la guanylate-cyclase. Ils agissent directement sur des enzymes cytosoliques.
Monoxyde d'azote NO vont activer des kinases.
Monoxyde de carbone CO.
Effet biologique : exemple vasodilation
B. Signaux chimiques hydrosolubles
Les signaux hydrosolubles correspondent à des molécules qui ne diffusent pas dans la membrane plasmique, ils n’en sont pas capables. (Exemple : érythropoïétine)
Ils vont donc se fixer sur des récepteurs membranaires qui, une fois le signal reçu, vont induire des modifications au niveau intracellulaire et donc des effets biologiques qui peuvent être des
modifications biologiques : - du métabolisme - du cytosquelette
- nucléaires (régulation et transcription de certains gènes).
Ces molécules présentent trois caractéristiques :
- durée de vie courte dans le sang ou l'espace extracellulaire
- réponses rapides au moment de la fixation aux récepteurs membranaires et de courte durée (régulation active de protéines préexistantes de type phosphorylation et donner des effets biologiques cytosoliques par exemple) (par exemple les enzymes des protéines kinases qui vont être activées, qui vont se phosphoryler et phosphoryler les substrats )
- réponses tardives et de plus longue durée lorsque la réponse rapide entraîne la transcription
des gènes nucléaires qui met en jeu beaucoup de protéines (dans le noyau).
Remarque :
Il y a deux types de récepteurs membranaires (=signaux hydrosolubles et intracellulaire : signaux liposolubles) : les ligands naturels et les ligands artificiels (: 2 catégories)
Les ligands peuvent être naturels (EPO) ou artificiels.
Il existe 2 catégories de ligands artificiels (d'origine biologique pour la plupart).
Les agonistes : molécules qui se fixent au même endroit que le ligand ou possèdent les mêmes effets.
L’acétylcholine est le ligand naturel qui se fixe sur le récepteur nicotinique pour induire son ouverture, cependant, il existe la nicotine, une molécule d’origine végétale qui possède le même effet que l’acétylcholine : c’est un ligand artificiel agoniste.
Les antagonistes : molécules qui vont donner l’effet inverse du ligand naturel.
L’α-bungarotoxine (venin de serpent), contre carre l’effet de l'acétylcholine et provoque une paralysie, allant parfois jusqu’à la mort. Elle se fixe à sa place sur le récepteur.
De nombreux médicaments jouent le rôle d’antagonistes par rapport à certaines pathologies : - anti-histaminiques en cas d'allergies qui bloquent l'effet de l'histamine
- β-bloquants qui sont des récepteurs antagonistes des récepteurs β-adrénergiques.
Voir plus loin : Ch11 – Fig19 : Modèle tridimensionnel du récepteur de l’acétylcholine
Le récepteur nicotinique de l’acétylcholine est constitué de 5 sous-unités transmembranaires à 4 domaines TM qui s'agencent en canal, ou pore ionique. L'acétylcholine se fixe sur les 5 sous-unités α (2 qui fixent l’acétylcholine, , , , ou ). Les sous unités délimitent un canal ionique.
C. Signaux liposolubles
Les signaux chimiques liposolubles ne sont pas miscibles dans l’eau et ne sont pas solubles au plasma, elles ont donc besoin la plupart du temps d’un transporteur sanguin pour être véhiculer dans la circulation sanguine car elles ont une composition lipidique afin de devenir miscible.
Elles ont trois caractéristiques :
- elles traversent la membrane plasmique par diffusion simple puisque cette dernière est une bicouche lipidique, mais parfois elles utilisent des récepteurs membranaires.
- une fois que la molécule se trouve au niveau intracellulaire, il peut y avoir des effets biologiques rapides (phosphorylation) en se fixant sur des récepteurs
membranaires/cytosoliques…,
- elles peuvent également passer dans le noyau et être capables de s’associer avec un récepteur nucléaire pour se fixer à l’ADN et être à l’origine de la régulation de la
transcription de gènes: événements tardifs et de longues durées puisque le signal traverse la membrane plasmique, aller dans le noyau, induise la transcription de gène et qu’il y ait traduction en protéine.
Par exemple les hormones stéroïdes sont classiquement des molécules liposolubles.
III. Signaux Hydrosolubles et Récepteurs Membranaires
A. Les récepteurs membranaires sont répartis schématiquement en 3 grands groupes
Ch11 – Fig 4 : Les 3 types de récepteurs membranaires pour des signaux chimiques hydrosolubles extracellulaires
Les 3 types de récepteurs sont :
- Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG)
7 domaines transmembranaires (à gauche) : une partie extracellulaire qui est peut être glycosylée et une partie intracellulaire sous forme de boucle et un domaine C- Term qui baigne dans le cytosol.
capables de s’associer entre eux pour former des dimères.
• homodimère : 2 sous-unités identiques
• hétérodimère : 2 sous-unités différentes
- Les récepteurs à activité enzymatique kinase (on s’intéresse plus à ceux à activité tyrosine kinase)
1 domaine transmembranaire : la partie extracellulaire glycosylée fixe un ligand et la partie intracellulaire contient le domaine à activité enzymatique : activité kinase qui est capable de phosphoryler un substrat
capables de s’associer entre eux pour former des dimères :
• homodimères
• hétérodimères
- Canaux ioniques ligand dépendants (à droite)
4 domaines transmembranaires
capables de s’associer avec d'autres sous unités en hétéropentamère (5 sous unités) (le plus souvent)
permettent de capturer un message provenant d'une cellule émettrice.
Pour que le canal s’ouvre ou se ferme, il faut qu’un ligand se fixe.
Rappel : Ch2 – Fig 26 : Les différents modes de transports transmembranaires sans mouvement de la membrane plasmique (ACh : récepteurs nicotinique (Na+/K+))
Les canaux ionique ligand dépendant sont capables de fixer un ligand sur leur partie extra cellulaire.
C’est un transport passif, avec utilisation d’une perméase : le canal ionique. C’est le cas du récepteur nicotinique : lorsque l’acétylcholine se fixe sur le canal α, les concentrations sodiques augmentent dans la cellule.
B. Les récepteurs membranaires couplés aux protéines G hétérotrimeriques (RCPG)
Ces RCPG utilisent des protéines G hétérotrimériques, qui diffèrent des protéines G monomériques.
Ch11 – Fig 5 : Schéma de transduction du signal par un récepteur couplé à un protéine G hétérotrimérique
Le RPCG a 7 domaines transmembranaires et une partie extracellulaire qui fixe un ligand et reçoit ainsi le message. Il va mettre en contribution 6 partenaires.
Les RCPG constituent une grande famille de récepteurs, la plus diverse du patrimoine génétique.
C’est ce qui va permettre une multitude de fonctions, allant de l’odorat à la régulation du système cardio-vasculaire. Ils sont donc sensibles à une importante variété de ligands (signaux chimiques, lumineux les photos, ions calciques par exemple, odeur).
Les sous unités α et gamma de la protéine G sont ancrées à la membrane plasmique par des acides gras alors que la sous-unité β ne l'est pas. Elles sont toutes les trois différentes et jouent le rôle de transducteur.
Un régulateur RGS (ancré à la membrane par un groupe lipidique) permet de réguler les protéines G hétérotrimériques en bloquant leur activité (GTPasique). Il se trouve également au niveau de la membrane plasmique.
Une fois que le signal est passé via le ligand, qui se fixe sur le récepteur, le récepteur qui active ces protéines G, il y a la production de seconds messagers (par exemple IP3) par des effecteurs primaires, comme des enzymes qui peuvent être membranaire ou cytosolique ou des canaux ioniques.
Les RGS sont les régulateurs des protéines G hétérotrimérique, en particulier l’activité kinase de la sous-unité α. Ils peuvent sur trouver au niveau de radeaux lipidiques qui contiennent de la cavéoline, ils peuvent être endocytés suite à la formation de cavéole et emmenés dans le cytosol.
Ces seconds messagers se trouvent dans le cytosol ou dans la transmembrane, et sont activés par cette la sous-unité α ou le complexe beta gamma de la protéine G, qui vont activer les effecteurs primaires, qui vont produire ces seconds messagers, qui vont eux-mêmes donner des effets secondaires dans la cellule. Image 2
À partir de la fixation du ligand, il y a une cascade d’activation qui abouti à des effets cytosoliques et nucléaires.
Rappel : Ch2 – Fig 31 : L’endocytose par l’intermédiaire de récepteurs membranaires dans un cavéole
Les RCPG se trouvent dans les radeaux lipidiques en compagnie de cavéoline et de protéines qui sont liées à la membrane par un GPI.
Il y a une grande diversité de ligands capables d’activer des RCPG selon la cellule ou les organes : - Hormones,
- Odeurs, - Lipides, - acides aminés, - peptides, - lumière - Nucléotides
Il existe une centaine de RCPG chez l’Homme avec une diversité de protéines G trimériques qui assurent donc une diversité de fonctions. Les RCPG ont 7 domaines transmembranaires, chacun d’entre eux est formé par des hélices α. Il y a plusieurs sous unités alpha qui ont des effets différents.
Ce sont les récepteurs les plus cibles des médicaments dans la thérapie humaine.
Ch11 – Fig 6 : Un même RCPG interagit avec des protéines G différentes. Les RCPG agissent sous forme de dimère
Autres types de récepteurs, les récepteurs à la protéine de TSH qui sont retrouvés dans les cellules de la tyroïde. Ils sont capables de fixer des récepteurs complètement différents.
Hors examen PASS 2021 (ainsi que le schéma ci-dessus)
Les RCPG sont capables de former des homos ou hétérodimères. Chacun des monomères est capable de fixer des protéines G hétérotrimériques. Ces dernières vont être différentes selon les récepteurs.
Dans le cas d'un homodimère, les protéines G hétérotrimériques fixées sont identiques pour les deux monomères.
Dans le cas d’un hétérodimère, les ligands fixés et les protéines G hétérotrimériques sont différentes.
Cela va amplifier la diversité de signalisation.
Les RCPG sont capables de fixer des protéines G trimériques différentes pour un même récepteur.
Cela entraîne la formation homo- ou hétérodimères.
Selon la protéine G trimérique avec laquelle il va s'associer et selon la cellule, un même RCPG peut provoquer des effets secondaires différents.
Les RCPG peuvent être impliqués dans des pathologies.
Les Certains récepteurs de l’olfaction sont des RCPG, et sont très nombreux, les plus fréquents parmi les RCPG → système olfactif très développé.
Exemple du virus du Sida :
Le VIH utilise les récepteurs RCPG comme porte d’entrée pour pénétrer une cellule et notamment les macrophages et les lymphocytes. Chacun de ces deux types de cellules est impliqué dans l’immunité.
Ces deux types cellulaires ont des RCPG différents à leur surface.
Le virus va se fixer sur la partie extracellulaire de ces récepteurs avec l’aide de la CD4 (formé grâce aux ponts disulfures), qui est une cellule à domaine Ig. Cette double fixation permet la capture de ce virus et son internalisation dans la cellule : c'est le début de l'infection et de la maladie. CCR5 capable de fixer le virus du sida et de permettre son endocytose et donc le virus se trouve à l’intérieur de la cellule CCR4 pour bloquer sa fonction.
FIN HC 2021
RAPPEL : Ch4 – Fig 16 : Le cycle fonctionnel d’une protéine G trimérique
Les RCPG activent les protéines G hétérotrimériques. Les RCPG vont ainsi activer la sous unité α qui est sous forme de GDP à l’état inactivé et qui des couples au GTP lorsque le récepteur est activé.
Lorsque α se couple au GTP, elle se dissocie du complexe β 𝛾.
Le RCPG assure ainsi le signal de déclenchement de cette activation.
Pour faire une analogie avec les protéines G monomériques :
- le RCPG joue ici le rôle de GEF, puisqu'il va promouvoir le chargement en GTP de la protéine, - RGS joue le rôle de GAP, car elle active l’activité GTPasique de ces protéines G. Ces protéines
qui fixent du GTP ont en effet la capacité d’hydrolyse ce GTP en GDP.
Rappel : Ch4 – Fig 18 : Protéine spécifique contrôlant les fonctions des protéines G
Une protéine G qu’elle soit monomérique et heterotrimérique qui fixe du GTP sous forme inactive et du GTP sous forme active.
Ch11 – Fig 7 : Les voies de signalisation des RCPG via les 4 types de sous-unités α des protéines G
Le RCPG activé est capable d’induire l’activation de protéines G hétérotrimériques. On voit que la sous unité α peut être différente. Ici il y en a 4 : i, q, s, 12.
Elles sont toutes les 4 activées en fixant du GTP, mais leurs effets sont différents sur un certain nombre d'enzymes qu'elles peuvent activer ou inhiber.
La sous-unité 𝜶 12 active une protéine G monomérique Rho par l’intermédiaire d’une RhoGEF. Ceci a pour effet d’activer les FRT, qui jouent un rôle dans le noyau, dans l'expression de gènes.
La sous unité 𝜶 q va activer des enzymes comme des phosphodiestérases, des phospholipases C, qui peuvent :
- produire des messagers secondaires, l'inositol triphosphate (IP3), le diacylglycérol (DAG), - provoquer l'augmentation de Ca++ intracellulaire,
- activer les protéines kinases C à la membrane.
Cela va induire une certaine réponse biologique.
La sous unité 𝜶 i a la capacité de faire diminuer l'activité de l'adénylcyclase et donc la concentration intracellulaire en AMPc.
La sous unité 𝜶 s augmente l'activité de l'adénylcyclase, et donc la concentration en AMPc
Selon la protéine G hétérotrimérique activée, les effets d'un même récepteur sont donc différents. Notamment, les sous-unités alpha i et s ont des effets opposés.
Certaines toxines peuvent avoir des effets opposés.
Par exemple, les toxines produites par la bactérie Bordetella à l'origine de la coqueluche ou la toxine produite par la bactérie à l’origine du cholera vont provoquer des effets similaires mais en agissant sur deux sous unités différentes.
Au niveau du récepteur, on observe la dissociation des sous-unités alpha et beta/gamma. Le complexe beta/gamma peut agir sur des enzymes, il a donc un effet biologique. Cette dissociation provoque donc une série d'événements intracellulaires.
Ch11 – Fig 8 : Les voies de signalisation des RCPG indépendantes des protéines G trimériques
Les RCPG peuvent être phosphorylés (sur sa partie intracellulaire) et dès lors, ils recrutent une protéine, l’arrestine.
L'arrestine peut agir sur le noyau en modulant l’organisation de la chromatine et donc indirectement activer ou réprimer l'expression de gènes.
Les RCPG associés à l'arrestine peuvent :
- Bloquer l’activation d’un FRT, le NF-kB, qui a des effets biologiques par l'intermédiaire de réponses nucléaires.
- Phosphoryler les substrats
- Activer des enzymes ERK, qui peuvent :
donner une réponse biologique
jouer le rôle de FRT dans le noyau
être activées par des récepteurs de facteurs de croissance, par exemple des récepteurs à activité tyrosine-kinase, par l'intermédiaire de Ras
Rappel : Ch4 – Fig 9 : Rôles du protéasome : deux exemples (non-dit mais important pour compréhension)
Le NF-kB est présent dans le cytosol sous forme d’un trimère inactif (p50, p60 et I-kB).
La phosphorylation par une kinase de I-kB entraîne sa polyubiquitinylation et sa dégradation dans le protéasome, ce qui va provoquer son activation.
Cette sous unité est celle qui retient ces 3 protéines dans le cytosol : après la dégradation de I-kB, le dimère peut se diriger vers le noyau pour effectuer son rôle de FRT.
L'arrestine peut bloquer la kinase, il n'y a alors plus de dégradation d'I-kB et donc plus de passage du NF-kB dans le noyau, donc plus d'action du FRT.
Un médicament anti-cancéreux est capable de bloquer le protéasome, et inhibe ainsi le FRT.
C. Les protéines G trimériques régulent l'activité de plusieurs effecteurs différents et sont le support de multiples voies métaboliques et de réponses physiologiques variées
Le RCPG qui utilise G αi va inhiber l'adénylcyclase, et donc diminuer la concentration d'AMPc. La toxine pertussis produite par Bordetella, à l'origine de la coqueluche, va bloquer par ADP- ribosylation de la sous-unité G αi son interaction avec le RCPG.
Elle empêche donc cette sous-unité de passer sous la forme GTP et donc son activation.
La sous-unité α i n'étant plus active, il y a absence d'inhibition, et augmentation d'AMPc.
Les RCPG fonctionnant avec la protéine G α s induit une augmentation de l'activité de l'adénylcyclase, et donc la concentration d'AMPc.
La toxine du choléra, par ADP-ribosylation, va bloquer l'activité GTPasique de la sous-unité G alpha s, qui reste donc sous forme GTP. Il y a alors une activation continuelle (constitutive, permanente) de l'adénylcyclase, et de l'AMPc est produite en permanence.
Ces 2 toxines produites par deux bactéries différentes agissent sur deux sous-unités α différentes provoquent la même augmentation de concentration d'AMPc au final.
1. La voie Gαs/Gαi, adényl-cyclase, AMP cyclique
L'augmentation d'AMPc est régulée par l'enzyme adénylcyclase, elle-même régulée par les sous- unités Gαs et Gαi.
La notion d'amplification du signal est très importante en communication intercellulaire :
le RCPG active la protéine G α s, qui active l'adénylcyclase à la membrane, qui entraîne la production d'AMPc. (activation permanente avec la toxine du choléra).
Associé à G α i, l’adénylcyclase est inhibée, ce qui diminue la production d’AMPc. L’inhibition peut être absente avec la toxine du pertussis.
Ce AMPc, produit en grandes quantités, va activer les kinases qui sont dépendantes de l'AMPc.
Chacune de ces enzymes vont à leur tour activer des enzymes qui vont être elles-mêmes
phosphorylées. Chacune d'elle va activer à son tour d'autres protéines (facteurs de transcription), qui vont activer de nombreux FRT en particulier CREB.
Au final chaque étape correspond à une amplification du signal, puisqu'à partir d'un seul ligand, de nombreuses molécules de FRT sont activées.
Rappel : Ch10 – Fig 5 : Plusieurs régions régulatrices pour un même gène
Les FRT fixent des séquences de l'ADN qui sont des régions régulatrices capables d'activer ou de réprimer l'expression de gènes.
Les FRT agissent dans des zones régulatrices, seuls ou combinés, vont dicter la transcription ou la répression d’un gène. Le gène produira + ou – sont ARNm pour former une protéine pour avoir un effet biologique.
Il existe souvent plusieurs régions régulatrices d'un même gène. Chacun des FRT s'y fixant peut réguler de manière positive ou négative.
Glycogène : forme de stockage de sucre
2. La voie Gαq active une phospholipase Cβ, qui agit sur des lipides membranaires, des phosphoinositides
Ch11 – Fig 9 : La voie d'activation protéine G, phospholipase C, phosphoinositides
Un RCPG fixe un ligand, comme l'acétylcholine. Le RCPG se fixe à une protéine hétérotrimérique Gαq couplée au GTP.
Celle-ci active, à la membrane plasmique, une enzyme, la phospholipase C.
Cette dernière clive les phospatidyl-inositides PIP2 pour produire deux messagers secondaires
✓ DAG qui diffuse dans la membrane plasmique et active une protéine kinase C, qui nécessite du Ca++ pour être totalement active à la membrane
✓ IP3 qui diffuse dans le cytosol et se fixe à ses récepteurs présents sur des organites du système endomembranaire qui sont des sites de stockage du Ca++
Cette fixation va induire le relargage du Ca++ séquestré dans le système endomembranaire.
Il y a alors une augmentation de la concentration en Ca++ dans la cellule, ce qui a plusieurs effets : o activation de protéine kinase C à la membrane
o association du Ca++ à la calmoduline pour former le complexe Ca++-calmoduline capable d’activer plusieurs voies en aval
activation de la NO synthase constitutive dans certains types cellulaires (neurones,
cellules endothéliales), qui va produire du NO qui peut diffuser à travers la membrane et activer une cellule cible
activation de l'adénylcyclase et de la phosphodiestérase de l'AMPc, et donc l'AMPc
activation de protéines kinases Ca++-calmoduline dépendantes(phosphorylation)
De nombreuses voies métaboliques sont activées par un seul RCPG, ce qui aboutit à l'activation de nombreuses voies métaboliques dans la cellule.
Il existe une amplification du signal.
Important pour la compréhension
Rappel : Ch4 – Fig 21: Les ions calcium dans le cytosol et leurs sites de stockage
Le Ca++ entre dans la cellule par différents canaux, et il peut être relargué par le système endomembranaire au niveau de sites de stockage.
Rappel : Ch4 – Fig22: Quelques-uns des rôles des ions calcium
La Calmoduline activée couplée au calcium est capable d'activer des enzymes qui peuvent avoir des effets sur d'autres enzymes.
3. La voie transducine, phosphodiestérase du GMP cyclique
Cette voie passe par l'activation d'un RCPG, qui se trouve dans la rétine. Il y a en effet des cellules photo-réceptrices qui tapissent la rétine : les cônes et les bâtonnets.
Les bâtonnets possèdent un type particulier de cellule photo-réceptrice complexe, qui contient ces RCPG.
Une cellule photo-réceptrice : - un noyau,
- des organites et un système endomembranaire dans son cytosol,
- une partie sous forme de terminaison synaptique capable de libérer des neurotransmetteurs, en particulier le glutamate,
- un cil particulier qui est formé de repliements de la membrane plasmique et qui contient des disques, contenant ces RCPG, appelés rhodopsine.
La rhodopsine est formée d'un RCPG classique avec 7 domaines transmembranaires, appelé l'opsine, mais ce dernier contient en son sein un chromophore, une molécule chimique capable de calibrer la lumière : le 11 Cis-rétinal qui contribue à la fonction du RCPG (structure HC).
C'est cette structure qui permet au RCPG de recevoir un photon et de le transformer en information.
En effet, le rétinal change de conformation sous l'effet de l'activation du RCPG, c'est ce qu'on appelle la photo-isomérisation du rétinal.
La rhodopsine est un donc RCPG classique dans sa structure, qui comporte des domaines transmembranaires, constitués de lipides et de glucides.
Cette cellule photo-réceptrice a une région synaptique, qui contient des disques, dans des repliements du segment externe. Ces disques comportent aussi à leur membrane des canaux ioniques GMPcdépendants qui restent ouverts en l'absence de lumière. Ils laissent alors rentrer du sodium et du calcium dans la cellule. Cette augmentation de sodium et de calcium entraîne une polarisation de la membrane, il y a alors une augmentation de l'exocytose des vésicules contenant le neurotransmetteur.
Lorsque des photons frappent la rétine, ils activent la rhodopsine, et provoquent ainsi la photo- isomérisation du rétinal, ce qui induit une diminution de la GMPc, au niveau cytosolique, par l'activation de la protéine GαT.
Il y a alors fermeture des canaux calciques et sodiques, donc arrêt de l'exocytose.
Ch11 – Fig 10 : Les phénomènes de transduction du signal et son amplification après la réception d'un seul photon de lumière
L’entrée de calcium et sodium par les canaux va entrainer l’exocytose du neurotransmetteur. Ces canaux cationiques sont GMPc dépendants (GMPc dans le cytosol —> ces canaux sont ouverts).
Lorsque le photon arrive et active le RCPG, il va être capable d’activer une phosphodiestérase qui va entrainer la diminution de GMPc, canaux se ferment, la cellule va être hyperpolarisée. Arrêt de l’exocytose du neurotransmetteur.
Le bâtonnet contient des disques empilés contenant une molécule photosensible, la rhodopsine, équivalente à un RCPG.
La MP entourant le bâtonnet au niveau des disques contient des canaux cationiques GMPc dépendants, ouverts dans l’obscurité par des mol de GMPc fixés sur face cytosolique.
La lumière active la rhodopsine = chromoprotéine à 7 domaines TMR comportant une fraction protéique = opsine, et un chromophore absorbeur de photons = 11-cis-rétinal.
L’énergie d’un photon isomérise le rétinal et active l’opsine ; ce processus provoque une modification de la conformation de l’opsine pendant un laps de temps très court.
La transducine est une protéine G trimérique, activée par la rhodopsine stimulée par lumière. Sous unité α de la transducine se sépare du dimère β-γ, pour activer une phosphodiestérase du GMPc.
L’hydrolyse GMPc fait chuter sa concentration cytosolique :
Les canaux ioniques se ferment ➔ hyperpolarisation membranaire et inhibe la transmission
synaptique du photorécepteur aux neurones rétiniens. Le signal lumineux à été transformé en signal électrique.
Phénomène d’amplification du signal est +++ amplifié dans la vision (un seul photon ➔ hydrolyse de +++ de GMPc et fermeture de ++ de canaux cationiques.
Retour à l’état de repos :
Les canaux cationiques GMPc dépendants sont perméables aux ions Ca et Na. Leur fermeture provoque une chute de la concentration cytosolique en Ca.
➔ Modification conformationnelle de la recoverine (protéine avec affinité ++ pour le Ca). La recoverine est, à l’inverse de la calmoduline, activée en l’absence de cations.
La recoverine active d’une part la guanylate cyclase et d’autre part une kinase de la rhodopsine qui, après phosphorylation, ne peut plus stimuler la transducine.
La transducine est elle aussi inactivée par protéine RGS qui lui est spécifique (stimule son activité GTPasique). Couplée au GDP, la transducine ne peut plus stimuler son effecteur primaire : la phosphodiestérase du GMPc.
En cas de très forte luminosité : une protéine de la famille des arrestines bloque la rhodopsine qui n’est plus capable d’activer la transducine.
La rhodopsine présente dans les replis de la membrane plasmique est activée par photon
➔ active sa sous unité GαT, qui va activer la phosphodiestérase qui va dégrader le GMPc en GMP
= ↘ de [GMPc].
Donc les canaux GMPc dépendants, à la membrane, vont se fermer ➔ diminution de l’entrée de Na et de Ca (diminution de la concentration de ces cations).
Le sodium (Na) agit sur l’hyperpolarisation de la membrane du bâtonnet, et sur l’exocytose.
↘ de Calcium active la recoverine qui va elle-même activer une rhodopsine kinase qui va phosphoryler le récepteur et le bloquer : rétro-contrôle (-).
La recoverine active la GMP cyclase qui va reproduire du GMPc : réouverture des canaux (régulation ++)
HC 2021 : Les voies de signalisation des RCPG indépendantes des protéines G trimériques
Les RCPG peuvent être phosphorylés et recruter alors l’arrestine : point de départ de plusieurs voies de signalisation :
Contrôle l’endocytose des RCPG :
-contrôlent activité d’enzymes qui ajoutent/ enlèvent l’ubiquitine
-Provoquent l’endocytose des RCPG en se fixant au domaine cytosolique des RCPG activés phosphorylés par des kinases spécifiques
-Importation dans le noyau ⇨ module d’organisation de la chromatine va permettre
d’activer/réprimer l’expression de gènes (module transcription), a également un rôle de cofacteur de transcription.
-Activation d’enzyme ERK ⇨ réponse biologique/rôle de FRT (ERK activé par récepteur à activité tyrosine kinase via Ras)
-Blocage de l’activation du facteur de transcription NF-KB (inhibe I-KB) ➔ effets nucléaires
4. Les récepteurs - enzymes : plusieurs familles
➔Récepteurs à activité tyrosine-kinase
L'activité enzymatique peut être représentée par : - une activité sérine-kinase,
- une activité tyrosine-phosphatase,
- une activité sérine-thréonine-phosphatase, - une activité tyrosine-kinase.
Ch11 – Fig 11 : Représentation schématique de trois récepteurs à activité tyrosine-kinase
Les récepteurs ont tous :
- un domaine transmembranaire, - un domaine extracellulaire glycosylé,
- un domaine cytosolique qui porte l'activité tyrosine-kinase intrinsèque.
Ces récepteurs sont des glycoprotéines. Ils possèdent une région transmembranaire unique ; ce qui les différencient donc des RCPG. En intracellulaire, ils ont tous un domaine à activité tyrosine-kinase qui provoque la phosphorylation des protéines cytosoliques sur les résidus tyrosine en particulier.
Le domaine tyrosine-kinase peut être constitué d'un seul bloc ou de 2 blocs.
Les domaines extracellulaires sont capables de fixer les ligands. Ces domaines sont différents :
- ils peuvent être riches en cystéine pour l’EGF,
- ils peuvent comporter des domaines Ig, et donc faire partie de cette famille (comme les NCAM).
Il y a une cinquantaine de récepteurs à activité tyrosine-kinase. Chacun va fixer des ligands (=facteurs de croissance) différents.
La plupart des récepteurs sont capables de s'homo-dimériser et pour certains de s'hétérodimériser.
C’est le cas du récepteur à l'EGF qui est capable de s'hétérodimériser avec des récepteurs de la même famille
Le récepteur au PDGF (facteurs de croissance dérivés des plaquettes) constitué d'un récepteur au PDGF α et d'un récepteur au PDGF𝛽, qui peuvent former des homo- ou hétérodimères.
Le récepteur au VEGF (facteur de croissance produit par les cellules endothéliales) est exprimé dans les cellules endothéliales, donc dans les vaisseaux. Il est important pour former le système cardiaque, et en cancérologie car il est capable de provoquer l'alimentation des cellules tumorales en
nutriments (en O2, en AA…), → augmente la vascularisation de la tumeur.
Il y a donc des médicaments qui consistent à bloquer ce récepteur.
Ces récepteurs peuvent fixer des ligands, aussi appelés facteurs de croissance, différents, ce qui provoque des activités intracellulaires différentes.
Rappel : Ch4 – Fig 3 : Phosphorylation et déphosphorylation de protéines
Le mode d'action enzymatique de ces récepteurs, qui font partie de la famille des kinases, repose sur leur capacité à greffer un groupement phosphate sur un résidu particulier.
Dans le cas des tyrosine-kinases, le résidu en question est une tyrosine. C’est un phénomène réversible.
Ch11 – Fig 12 : L'activation d'un récepteur à activité tyrosine-kinase
Les récepteurs sont capables de s'homo ou de s'hétérodimériser.
À l'état de monomère, ils sont inactifs.
Le ligand peut être sous forme de monomère ou de dimère, et il induit la dimérisation de deux monomères (sauf pour le récepteur à l'insuline).
Cette dimérisation est l'élément déclencheur de l'activation du récepteur.
Le récepteur peut alors phosphoryler des protéines au niveau intracellulaire.
La partie intracellulaire de ce récepteur contient des tyrosines : il commence par s'auto- phosphoryler.
Cette autophosphorylation entraîne une cascade d'événements, dont le premier est la fixation de protéines cytosoliques sur les résidus phosphorylés du récepteur, il s'agit d'une association physique de protéines libres dans le cytosol.
Ainsi, les récepteurs auto-phosphorylés peuvent :
✓ recruter des protéines associées,
✓ phosphoryler des protéines cibles,
✓ induire la transmission du signal,
✓ être endocytés dans des vésicules de clathrine et de protéines d'adaptation.
Les récepteurs kinases ont la capacité de se dimériser sous l'effet de la fixation d'un ligand, ce qui induit le départ de l'activité enzymatique.
Une fois qu'il est activé, le récepteur fixe des protéines cytosoliques associées.
Ch11 – Fig 13 : L'activation de Ras par un récepteur tyrosine-kinase
A la suite de l'activation et de l'autophosphorylation d'un récepteur tyrosine-kinase, débute une cascade d'activation avec une protéine intermédiaire qui se fixe au récepteur.
Il s'agit d'une protéine GEF qui peut activer les petites protéines G monomériques comme Ras, en favorisant l'échange du GDP par du GTP.
Cet événement est fondamental pour permettre la poursuite de la cascade d'activation débutée lors de la fixation du ligand sur le récepteur.
Cette activation de la protéine Ras, qui est ancrée à la membrane par un acide gras, peut être réversible sous l'action de la protéine GAP qui stimule leur activité GTPasique (ce qui les rend inactives).
La protéine Ras active participe elle aussi à la poursuite du signal puisqu'elle entraîne une cascade répétitive d'événements enzymatique : une kinase inactive passe sous la forme active sous l'effet de la protéine G active, cette kinase devient alors apte à phosphoryler un substrat.
Ces kinases appartiennent à la famille des sérine-thréonine-kinases, car elles ont une spécificité de phosphorylation sur les résidus sérine et thréonine.
La kinase activée va activer une autre kinase inactive, qui active une troisième kinase.
Toutes ces protéines kinases sont différentes.
MAP kinase → ERK
À la fin de cette cascade, la dernière kinase ERK (extracellular regulated kinase) va passer d'un état inactif à actif. ERK est une serine-thréonine kinase.
ERK va être capable de phosphoryler des protéines cytosoliques ou aller dans le noyau et jouer un rôle dans la transcription des gènes. Ces évènements de phosphorylations vont aboutir à des effets biologiques, au niveau cytosoliques et nucléaires, que sont la survie des cellules, leur différenciation et prolifération selon le récepteur activé.
Cascade de signalisation impliquant Ras (protéine G monomérique, active sous forme GTP, inactive en GDP, transition GDP-GTP se fait sous l’effet de protéines GEF spécifiques de chaque protéine G, ici Ras-GEF dans le cas des récepteurs à activité tyrosine kinase).
Le Ras est ancré à la membrane par un groupement d’acide gras (nécessaire pour son activité) Ras
GTP va à son tour activer des enzymes (protéines kinases : sérine thréonine kinases = capables de phosphoryler sur ces 2 AA).
Le mode d’action de l’activation du récepteur à l’EGF a été très conservé pendant l’évolution. /!\
d’autres voies de signalisations sont activées par ce type de récepteurs (« phosphorylation de protéines cytosoliques et nucléaires »...)
Elle va alors pouvoir :
✓ Phosphoryler des substrats protéines cytosoliques et nucléaires
✓ Migrer dans le noyau pour jouer un rôle dans la transcription de gènes en se rendant dans le noyau et en phosphorylant des protéines nucléaires.
Le but de la cascade d'activation est en effet de permettre à la cellule de répondre et de réagir à un signal.
Dans le cas des récepteurs à activité tyrosine-kinase, le produit final de cette cascade est souvent :
✓ la prolifération cellulaire,
✓ la différenciation,
✓ la survie.
Fin COURS PASS 2021
Par exemple, une cellule de la peau, ou kératinocyte, peut être stimulée par l'EGF, ce qui va lui permettre de se multiplier ou de survivre en milieu hostile.
Outre cette cascade d'activation classique, il existe de nombreuses autres possibilités pour un récepteur induire un signal à la fois dans le cytosol et dans le noyau par l'intermédiaire d'autres protéines intermédiaires.
Par exemple, par l'intermédiaire de la phospholipase C, le récepteur pourra induire la prolifération, la migration, la différenciation et la survie cellulaire.
Ce mode d’action est très conservé entre les espèces.
Exemple de l'insuline : L'insuline est un facteur de croissance (qui est aussi une hormone, petite protéine, polypeptides) sécrété par le pancréas endocrine, par voie endocrine (il se déplace donc dans la circulation sanguine jusqu'à son récepteur sur une cellule cible).
Le pancréas endocrine présente des structures cellulaires appelées îlots de Langerhans qui produisent 2 hormones qui régulent le taux de sucre dans le sang cellules qui sécrètent :
✓ l'insuline
fixation sur des récepteurs tyrosine-kinase
diminution le taux de glucose dans le sang = hypoglycémiante
✓ le glucagon, à effet inverse, sécrété par les cellules alpha du pancréas,
fixation sur des RCPG
augmentation du taux de sucre dans le sang = hyperglycémiante La glycémie est importante pour notre équilibre physiologique.
La sécrétion d’insuline est régulée, celle-ci n’est sécrétée que lorsque l’organisme a besoin de diminuer le taux de sucre dans le sang.
Au sein de la cellule du pancréas, l'insuline est produite sous forme de pro-insuline immature donc inactive. Il s'agit d'un peptide qui contient 2 ponts disulfures avec 3 régions : une chaine a, une chaine b et une chaine intermédiaire.
Au cours des mécanismes de sécrétion de l'hormone dans la circulation, la pro-insuline subit des modifications : Elle est successivement clivée :
✓ 1er clivage de la partie centrale de ce peptide par des endoprotéases : les 2 chaînes restent unies par les ponts disulfures.
✓ 2ème clivage.
L'insuline passe alors à sa forme mature (contenant la chaine A et B), donc capable d'activer son récepteur à activité tyrosine-kinase.
Le récepteur à l'insuline a également une maturation complexe : il est synthétisé sous forme de protéine clivée puis associée par des ponts disulfures pour former un hétérotétramère.
Présente dans des vésicules, l'insuline est sécrétée par exocytose de façon régulée suite à une augmentation de calcium intracellulaire.
Rappel : Chapitre 2 Figure 27.
Ch11 – Fig 14 : Structure simplifiée du récepteur de l’insuline.
Les facteurs de croissance sont stockés dans la cellule et sous l’effet d’un signal (ici l’augmentation du glucose dans le sang), ils vont être libérés dans le sang.
Le récepteur de l'insuline diffère des autres récepteurs à tyrosine kinase, ancré à la membrane plasmique, est un hétérotétramère car il compte 4 sous-unités :
✓ 2 chaînes α reliées par un pont disulfure constituent la partie extracellulaire qui fixe l'insuline,
✓ 2 chaînes β correspondent aux parties transmembranaires de ce récepteur.
Au niveau intracellulaire, on trouve un domaine tyrosine kinase qui a la capacité de s'autophosphoryler (comme pour les autres récepteurs tyrosine-kinase).
En revanche, ce récepteur est déjà dimérisé : il s'agit de 2 chaînes monomériques α et β déjà associées par des ponts disulfures. Il n'y a donc pas besoin de dimérisation.
Il s'agit du seul récepteur à activité tyrosine-kinase qui est déjà sous forme de dimère dans la cellule et seul récepteur à activité tyrosine kinase à subir une maturation similaire à son ligand.
Cependant, sans ligand, ce récepteur est inactif.
Lors de la fixation du ligand sur une chaîne α, le récepteur est activé : il n'y a pas de dimérisation mais un changement de conformation du récepteur qui induit l'activité enzymatique tyrosine kinase.
Il y a 2 sites de fixation à l'insuline, donc 2 molécules d'insuline peuvent se fixer : 1 sur chaque chaîne α.
La cascade d'activation de ce récepteur à l'insuline est la même que celle vue précédemment : phosphorylation, activation de Ras...
Le récepteur du glucagon est un RCPG.
Ch11 – Fig 15 : Devenirs comparés du glucagon et de l'insuline
Les récepteurs à l'insuline et au glucagon sont présents notamment sur 2 types de cellules : - cellules musculaires
- hépatocytes (foie).
Pour l'insuline : L'endocytose est similaire à celle des LDL avec des vésicules de clathrine.
Il y a tout d'abord formation d'une vésicule contenant le récepteur toujours fixé à ses ligands, donc toujours phosphorylé.
Le récepteur est toujours capable de s'autophosphoryler et de phosphoryler des substrats.
Dans la lumière des endosomes tardifs, il y a une dissociation de l'insuline et des récepteurs, qui deviennent alors inactifs, début d'hydrolyse de l'insuline (qui est le ligand) par l'insulinase.
Il peut à ce moment-là y avoir un ré-adressage du récepteur à la membrane. Ou alors, il se dirige vers les lysosomes, où il y a dégradation des hormones et des récepteurs. Ce récepteur active est capable d’activer RAS de la mettre sous forme GTP (active) et de fixer des protéines qui ont d’autres voies.
Pour le glucagon : L’insuline est hypoglycémiante alors que le glucagon est hyper-glycémiante et se fixe sur un RCPG inactivé.
La phosphorylation du RCPG, entraine son inactivation.
Les récepteurs au glucagon fixent le glucagon et activent une protéine Gαs, capable d'activer l'adénylcyclase et qui permet l'augmentation de la concentration en AMPc.
Le récepteur est endocyté sous forme inactive par un mécanisme de phosphorylation.
Il emprunte ainsi la voie endosomale, où a lieu la dissociation du récepteur et de l'hormone.
Dans les endosomes tardifs, il se passe une déphosphorylation avec des phosphatases.
Dans les lysosomes, il y a une hydrolyse des récepteurs non recyclés et des hormones.
Il y a une possibilité de recycler le RCPG à la membrane.
Il y a des similitudes dans le transport de ces récepteurs et de leurs ligands de la membrane plasmique aux endosomes, mais aussi des différences puisque le récepteur de l'insuline conserve son activité enzymatique et pas le RCPG du glucagon.
Ch11 – Fig16 : Le domaine cytosolique du récepteur tyrosine-kinase est importé dans le nucléoplasme et devient un FRT
Les récepteurs à activité tyrosine-kinases peuvent subir des clivages à la membrane plasmique : - clivage du domaine extracellulaire par des enzymes de la famille ADAM
- clivage du domaine transmembranaire (ou intra membranaire), par les secretases
libération du domaine intracellulaire/cytosolique du récepteur contenant l’activité enzymatique inactive,
importation nucléaire et association avec un FRT,
rôle de cofacteur de transcription dans la transcription de gènes.
Les récepteurs à activité tyrosine-kinase ont donc plusieurs effets :
- effets rapides à la membrane : phosphorylation, activation de Ras,
- effets plus tardifs : des enzymes initient ce clivage, et des FRT interviennent pour accompagner ce récepteur dans le programme d'expression génique du contrôle.
Ch11 – Fig 17 : Les ligands des récepteurs pour les facteurs de croissance
Les ligands peuvent être des molécules solubles produites par des cellules sources qui stimulent un récepteur selon différentes voies, en fonction de la distance à parcourir. Mais certains ligands peuvent être produits sous forme de précurseur. Un précurseur est enchâssé dans la membrane grâce à un domaine transmembranaire (c'est alors une protéine intrinsèque intégrale).
Cependant, il ne peut pas fixer son récepteur, il doit donc devenir soluble.
La cellule le rend actif en le rendant soluble : il y a clivage du domaine extracellulaire par une ADAM, va devenir soluble et va alors pouvoir se fixer sur son récepteur spécifique. C’est soit un effet
autocrine sur la cellule soit un effet paracrine sur une cellule voisine. Certains ligands de l'EGF suivent ce mécanisme.
La fixation du ligand peut se faire :
- sur la même cellule qui exprime et produit ce ligand = mode autocrine, - sur une cellule voisine = mode paracrine.
Ce clivage est régulé, une cellule peut avoir sur sa membrane un stock de précurseurs qui seront clivés en fonction des besoins.
La découverte de ces récepteurs à activité tyrosine-kinase, l'identification de leur mode d'action et de leur implication en pathologie (notamment dans les cancers) ont permis de développer des stratégies pharmaceutiques visant à inhiber leur action.
Il peut y avoir une surproduction de récepteurs, donc la probabilité de dimérisation est plus importante et donc leur activation est fréquente.
Par exemple, certains récepteurs à l'EGF sont hyperactifs et agissent de façon incontrôlée dans les cancers du poumon, et d'autres dans les cancers du sein.
Ces récepteurs étant toujours actifs, la cascade d'activation et de signalisation a toujours lieu. On parle de signal mitogène.
La cellule tumorale présente un avantage sélectif par rapport à une autre cellule : elle va donc se multiplier et empiéter sur les cellules normales environnantes.
Ch11 – Fig 18 : Quelques-unes des stratégies utilisées ou en cours d'expérimentation pour bloquer, dans les cellules cancéreuses, le signal mitogène induit par les récepteurs à activité tyrosine-kinase
Ce mécanisme étant à l'origine de la maladie, il est la cible de plusieurs traitements anti-cancéreux : - inhibition de la production des ligands (siRNAs) mais cette technique est peu utilisée, pas
encore de médicaments qui utilisent ce mode d’action.
- anticorps monoclonaux se fixant sur la partie extracellulaire du récepteur ou sur le ligand, ce qui empêche le ligand d'avoir accès à son récepteur :
▪ Cetuximab (« mab » = monoclonal) qui se fixe sur la partie extracellulaire, pour le site de fixation du récepteur au EGF dans le cas du cancer du côlon ou du poumon
▪ Bevacizumab pour le ligand du récepteur au VEGF donc il va bloquer son activation, cet anticorps monochronal va fixer un récepteur qui se trouve dans la circulation dans le cancer du colon.
Ces anticorps empêchent la liaison du ligand sur le récepteur.
Le récepteur à EGF est présent sur les cellules tumorales. Le récepteur VEGF est présent sur les cellules endothéliales des vaisseaux qui irriguent la tumeur. Si on bloque ce récepteur on va diminuer la quantité de vaisseaux qui irriguent la tumeur, et donc la nutrition.
Blocage des sites enzymatiques tyrosine-kinase présente dans la partie intracellulaire : Transfert un phosphate sur le substrat. La molécule empêche l'utilisation de l'ATP nécessaire à
l'autophosphorylation des récepteurs, qui ne peut plus s’activer donc l’activité enzymatique sera bloquée. Les molécules se fixent à la place de l’ATP (Gefitinib, Erlotinib. « Inib » = inhibiteur kinase).
C’est une stratégie qui fonctionne très bien. Plusieurs médicaments utilisent cette méthode.
Blocage de la farnésylation de Ras en inhibant la farnésyl-transférase qui donne un groupement farnésyl à la protéine Ras, ce qui empêche Ras de s'insérer à la membrane plasmique. Peu efficaces (pour le moment).
Désencrage de la protéine G monomérique Ras à la membrane, car l'ancrage par un acide gras est une condition sinéquanone à son activation. Les essais chez l’Homme n’a pas donné assez de résultats concluant mais fonctionne bien en laboratoire.
Inhibiteurs des enzymes kinases de la cascade (une série de kinase), qui activent notamment ERK : résultats probants.
Le cancer du poumon
Le Cetuximab est un anticorps polyclonal qui bloque le récepteur à l'EGF, qui est administré aux patients souffrant de cancers du poumon.
Avant de le prescrire, il faut effectuer un test biologique pour vérifier l'état d'activation de la protéine Ras (séquençage du gène).
En effet, certains cancers du poumon s'accompagnent d'une mutation de la protéine Ras, qui est toujours active (toujours couplée au GTP).
- si le gène Ras est normal, ou sauvage, on peut administrer le médicament, - si ce gène est muté, et donc Ras activée, le traitement ne sera pas efficace.
D. Les récepteurs nicotiniques
Ch11 – Fig 19 : Modèle tridimensionnel du récepteur nicotinique
Les récepteurs nicotiniques sont présents sous forme d'hétéropentamère, car les sous unités sont différentes : 2 sous-unités α capables de fixer l'acétylcholine, 1 sous-unité β, 1 sous-unité δ, et 1 sous-unité γ ou ε selon le stade du développement, selon le tissus, mais le fonctionnement sera le même, γ chez l’embryon, ε chez l’adulte.
Chaque sous-unité est constituée d'une protéine à 4 domaines transmembranaires.
Sa partie extracellulaire fixe le ligand. Le domaine M2 délimite le pore ionique.
d'acétylcholine. Il se retrouve à la jonction neuromusculaire impliquée dans la contraction musculaire (entre un neurone et une cellule musculaire).
Ch11 – Fig 20 : Les deux conformations, ouverte et fermée, du récepteur nicotinique
Le mouvement des ions à la membrane plasmique provoque une différence de potentiel ; et le transport se fait donc grâce au gradient de concentration.
La séquence d'activation du récepteur nicotinique :
- pas de fixation d'acétylcholine : canal fermé
pas de passage d'ions
- fixation d'acétylcholine : ouverture du canal
entrée de Na+ et sortie de K+ (+importante)
gradient électrochimique à l’origine de la dépolarisation de la membrane de la cellule musculaire
Ces récepteurs sont importants dans les échanges ioniques à la membrane, et impactent sur le potentiel membranaire de la cellule.
Ch11 – Fig 21 : Couplage excitation-concentration dans la cellule musculaire squelettique
La transmission d'un influx d'un nerf moteur à une cellule musculaire se fait par le biais d'un potentiel d'action.
Le potentiel d'action vient du neurone et permet, près du neurone pré-synatique, d'ouvrir des canaux calciques potentiel-dépendants. Il y a alors une augmentation de calcium dans la cellule, ce qui provoque l'exocytose d'acétylcholine dans la fente synaptique (peu de dispersion du signal).
En effet, l'augmentation de calcium est un signal de sécrétion régulée : les vésicules vont donc fusionner avec la membrane plasmique.
L'acétylcholine est ainsi libérée dans la fente synaptique, sans être diffusé.
Il se fixe au niveau des récepteurs nicotiniques post-synaptiques.
Il y a alors une cascade d'événements : l'entrée de sodium dans la cellule va activer des canaux sodiques potentiel-dépendants, présents sur le sarcolemme (membrane de la cellule musculaire).
Une onde de dépolarisation suit le long de cette membrane pour atteindre les tubules T (repliements de la membrane qui s'enfoncent dans le muscle), dans lesquels se trouvent d'autres canaux ici calciques qui vont s'ouvrir.
Ces canaux interagissent avec d'autres canaux calciques présents à la membrane du réticulum sarcoplasmique (RE de la cellule musculaire). Il y a donc formation d'un complexe entre canaux calciques.
Le réticulum sarcoplasmique retient le calcium grâce à une protéine qui la calséquestrine.
Ce canal calcique présent à la surface du réticulum sarcoplasmique est un récepteur à la rhyanodine, qui est un alcaloïde toxique qui peut bloquer le récepteur.
Cette conjonction d'onde de dépolarisation et d'interaction entre le récepteur à la rhyanodine et le canal calcique potentiel-dépendant provoque une sortie massive de Ca++ séquestré dans le réticulum sarcoplasmique.
La sortie de Ca++ induit la contraction musculaire.
Le réticulum sarcoplasmique récupère ensuite son stock de calcium grâce à un autre canal calcique à activité ATPasique.
IV. Les signaux liposolubles et leurs récepteurs nucléaires I. Généralités
Les signaux liposolubles sont des hormones de type œstrogène, progestérone, hormones stéroïdes.
Ils utilisent des récepteurs nucléaires.
Ils possèdent un caractère liposoluble et doivent se fixer sur des transporteurs sanguins pour véhiculer jusqu’à leur cible.
II. Structure des récepteurs nucléaires
Ch11 – Fig 22 : Similitude de structure des récepteurs nucléaires humains pour les signaux chimiques liposolubles
Ces récepteurs ont une organisation assez générique, en 4 parties :
- Domaine AB : extrémité N-terminale, régulation de la transcription
▪ Actifs dans le noyau, impliqués dans la transcription de gènes
- Domaine C : site de fixation à l’ADN des récepteurs.
▪ Association physique avec l’ADN, sur des régions précises, en amont des promoteurs de gènes
- Domaine D : domaine charnière
- Domaine E : extrémité C-terminale
▪ fixation de l’hormone (androgène, hormone thyroïdienne) ou de protéines associées à ses récepteurs (PAR)
Phénomène de compétition, c’est soit l’un soit l’autre
▪ séquence NLS qui va être démasquée lorsque l’hormone se fixe
Récepteurs transportés dans le nucléoplasme, dans le noyau pour effectuer un rôle de facteurs de transcription
▪ dimérisation de ces récepteurs qui ont besoin de cet événement pour être actifs
▪ régulation de la transcription comme le domaine AB.
La région AB est plus ou moins grande selon les récepteurs.
Les récepteurs nucléaires sont capables de fixer des ligands liposolubles de différentes natures : - Androgènes,
- Progestérone,
- Minéralo-corticoïdes et glucocorticoïdes impliqués dans la régulation de la glycémie et des
équilibres hydriques et minéraux des cellules, - Œstrogènes,
- Acide rétinoïque, - PPAR (peroxysomes), - Hormone thyroïdienne T3.
III. Mécanisme d’action des récepteurs des hormones stéroïdes
Rappel de la figure 3 chapitre 11
Ch11 – Fig 23 : Mécanisme d’action du récepteur nucléaire des hormones stéroïdes : exemple des androgènes humains
Dans le cas du récepteur des androgènes, on a des transporteurs sanguins dans le milieu extracellulaire fixés à ces androgènes.
Les androgènes vont passer la membrane plasmique grâce à leur qualité liposoluble puis, ils vont se retrouver dans le nucléoplasme grâce à leur passage à travers les pores nucléaires.
Au niveau du nucléoplasme, le récepteur libre est inactif tant qu’il n’a pas rencontré le ligand/hormone.
Ici, le récepteur est sous forme monomérique, il fixe sur sa partie C-terminale une protéine associée au récepteur qui le maintient sous forme inactive.
Lorsque le ligand arrive, il va y avoir un phénomène de compétition et le ligand va prendre la place des protéines PAR.
Le complexe devient activé, ce qui permet un changement de conformation du récepteur qui rend accessible le domaine de fixation à l’ADN et permet au récepteur de se dimériser.
Activation = fixation du ligand + dimérisation (2 sous unités dans le même état actif).
Le récepteur va se fixer sur une séquence d’ADN précise pour chaque type de ce récepteur, c'est-à- dire qu’il y a une séquence d’ADN particulière pour le récepteur des androgènes, ou celui des hormones stéroïdiennes.
Ces régions régulatrices sont appelées ERH.
Une fois qu’il y a fixation du récepteur, entraine la courbure de l’ADN et des phénomènes de transcription d’un ARNm spécifique du gène qui va permettre la synthèse de protéines. Le récepteur n’agit pas seul, il y a d’autres facteurs de transcription qui vont agir.
Des modifications de la chromatine vont avoir lieu, elle va se relâcher afin de permettre la transcription de gènes et donc la production d'ARNm spécifiques à chacun des récepteurs hormonaux ou nucléaires.
Ainsi, un récepteur aux androgènes va se fixer sur une séquence spécifique de l’ADN. C’est cette séquence qui va être transcrite et retrouvé pour tous les récepteurs énoncés avant.
L’ARN produit va ensuite passer par le pore nucléaire dans le cytosol et la synthèse de la protéine aura lieu.
C’est un mécanisme qui prend du temps en comparaison de l’activation (phosphorylation).
Une fois que le récepteur a fait son travail, il est ensuite ubiquitinylé et dégradé par le protéasome.
Ch11 – Fig 24 : Localisation nucléaire du récepteur des œstrogènes couplé à la GFP, en l’absence et en présence d’hormone
On peut déterminer que ces récepteurs se fixent sur des régions déterminées.
On réalise la transfection d’une protéine chimère, qui comprend un récepteur aux œstrogènes au niveau N-terminal, avec la GFP.
La transfection de ces cellules se fait avec un plasmide qui va produire cette protéine.
On bloque ensuite la synthèse protéique avec un inhibiteur.
On va donc observer les protéines produites pendant les heures précédentes.
Si on regarde la cellule en microscopie fluorescente, le marquage est uniquement nucléaire, c'est-à- dire que le récepteur est présent dans le noyau.
On incube réalise ensuite une incubation avec des hormones, le signal de fluorescence diffuse sans hormones devient granuleux et beaucoup plus compacté.
On en déduit que l’activation des récepteurs entraîne leur dimérisation et leur fixation sur des sites particuliers de l’ADN, ce sont les sites de transcription.
IV. Réponses primaires et secondaires aux hormones stéroïdes
Les récepteurs se fixent sur le noyau puis après leur fixation sur l’ADN, les récepteurs nucléaires vont induire des réponses qui peuvent être primaires ou secondaires.
Ch11 – Fig 25 : Réponse primaire et réponse secondaire aux stéroïdes
Les complexes se fixent sur les séquences spécifiques de l’ADN pour induire la transcription d’un premier type de gènes et donc la synthèse de quelques protéines, c’est la réponse primaire.
Cette synthèse de protéine va pouvoir elle-même induire l’activation de nouveaux gènes, c’est la réponse secondaire qui permet une amplification et une diversification du message.
Cette dernière, peut être :
- positive = activation de gènes de la réponse secondaire, - négative = inhibition de gènes de la réponse primaire.
On a un contrôle de la première étape.
Au final, on aura donc une synthèse de protéines, qui vont participer à la fonction biologique de cette hormone.
V. Récepteurs nucléaires et pathologie humaine
Le rôle de ces récepteurs nucléaire en pathologie est très important.
On peut prendre l’exemple des récepteurs aux œstrogènes qui se retrouvent abondamment exprimés dans certains cancers du sein. Cependant, lorsque ces types de récepteurs sont exprimés,
