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Module :« Energie et fonctionnement cellulaire »
Master S.V.T
la communication et la signalisation cellulaire
la communication et la signalisation cellulaire
Définition
Principes généraux de la communication cellulaire
Différentes étapes d’une signalisation cellulaire
Les récepteurs
Récepteur intracellulaire
Récepteur cellulaire de surface
récepteurs membranaires
Les différentes formes de communications via les molécules sécrétées
Différents types de signaux chimiques:
Voies de signalisation impliquées dans la communication cellulaire
Les molécules impliquées dans cette échanges cellulaires assurent trois fonctions : Transport de l'information via des signaux chimiques ; décodage des messages portés par ces signaux grâce à des récepteurs (communication intercellulaire proprement dite), transfert des ordres contenus dans ces messages à la machinerie intracellulaire (communication intracellulaire).
Ces signaux perçus par les cellules réceptrices, cheminent à travers le cytoplasme où ils déclenchent des cascades de réactions biochimiques.
La cellule émet et reçoit en permanence des signaux qui lui permettent de communiquer avec son environnement au sein d’un tissu donné.
Introduction
La communication cellulaire peut être définie comme étant l'ensemble des mécanismes qui permettent à une cellule, un tissu ou un organisme de recevoir, interpréter et répondre aux signaux émis par d’autres cellules ou par son environnement.
La réception de ces informations et leur décodage par les cellules nécessitent la présence de récepteurs spécifiques à la surface et à l’interface de la cellule, entre le milieu extra- et intracellulaire.
Étant donné que la totalité des fonctions biologiques normales dépend de la communication cellulaire, il est nécessaire de comprendre les mécanismes par lesquels la cellule répond ou communique avec son environnement immédiat
Définition
Une cellule produit une molécule signale qui va être détecté par une cellule cible. La protéine message intracellulaire réceptrice de la cellule cible converti ce signal extracellulaire en un message intracellulaire qui va modifier le comportement de la cellule.
Principe général de la communication cellulaire :
Le signal arrive sur le récepteur de la cellule cible. Celui-ci envoie un nouveau message intracellulaire. Ce message sera transmis à d’autres molécules intracellulaires qui, par le jeu d’activation-inactivation, va constituer la réponse de la cellule cible. Cette réponse s’effectue par cascade de réactions et par amplification du signal. Il y a plusieurs fonctions : Transforme le signal initial en une forme moléculaire. Véhicule l’information du récepteur vers l’endroit où se fera la réponse cellulaire. Amplifie le signal reçu. Distribue le signal à plusieurs endroits de la cellule. Chaque étape peut être soumise à une régulation.
Traduction du signal :
• Le monoxyde d’azote : En quelques secondes, le monoxyde d’azote va agir en activant une enzyme intracellulaire. Il se forme à partir de l’arginine et agit comme un médiateur chimique local. Le gaz se dissout et diffuse rapidement vers une cellule voisine à travers les membranes plasmiques.
Communication sans récepteur membranaire
Les cellules endothéliales relâchent du monoxyde d’azote en réponse à des stimulations nerveuses.
• Les hormones stéroïdes : Elles sont hydrophobes. Elles traversent la membrane plasmique par diffusion simple et se lient à un récepteur nucléaire pour formé un complexe hormone-récepteur qui change de conformation, ce qui permet au complexe de se lié à l’ADN et de contrôler la transcription de gène spécifique. L’action est longue et immédiate.
C’est toujours une glycoprotéine intrinsèque. • Récepteurs associés à des canaux ioniques (synapse neuromusculaire) : Flux d’ions à travers la membrane (courant électrique). • Récepteurs couplés à une protéine G (le glucagon) : Activation de la protéine G (cascade de réactions en chaines et amplification). • Récepteurs enzymes (l’insuline) : Récepteur activé. Il possède une activité enzymatique qui donne naissance à d’autres signaux qui provoqueront la réponse de la cellule cible.
Communication avec récepteur membranaire
Communication par Substances solubles hormones neurotransmetteurs neuropeptides cytokines facteurs de croissance interleukines facteurs d’inflammation Cellules nerfs (par propagation d’un potentiel d’action) Image: Graham Johnson
Quels sont les éléments de cette communication intercellulaire?
On y distingue:
Le stimulus extérieur (premier messager)
Le récepteur membranaire
la transmission transmembranaire
Le messager intracellulaire (second messager)
L'effecteur intracellulaire.
LES ELEMENTS DE LA COMMUNICATION
Principes généraux de la communication cellulaire
Par l’intermédiaire de molécules sécrétées
Les cellules communiquent:
Directement de cytoplasme à cytoplasme
Par l’intermédiaire de molécules liées à la membrane plasmique
Molécules hydrosolubles (peptides, protéines,…)
Les différents types de signaux chimiques
Radicaux libres gazeux (NO)
Molécules hydrophobes (stéroïdes,…)
Deux types de molécules sont à sa base :
• la molécule informative (signal) qui est un messager,
• la molécule de réception : récepteur du messager.
La communication cellulaire des signaux moléculaires (ou messagers)
une cellule (dite émettrice)
une autre cellule (dite réceptrice)
La même cellule (réceptrice)
des signaux moléculaires (ou messagers)
Mécanisme de transmission du signal cellulaire
La signalisation cellulaire
des molécules de signalisations extracellulaires
récepteurs protéiques qui permet à la cellule de lier ces signaux extracellulaires
initiation une signalisation dans laquelle des médiateurs locaux sont produits.
un récepteur une structure moléculaire de nature glycoprotéique ou glycopeptidique, présent au niveau de la membrane cellulaire, du cytoplasme ou du noyau cellulaire
Un messager, hormone, médiateur, cytokine, ou à un contact intercellulaire
une réponse cellulaire
interaction spécifique
Signal
Récepteur
Prolifération cellulaire
Régulation de voies
métaboliques
Régulation de l’expression
génique
Modification du cytosquelette
Différentes étapes d’une signalisation cellulaire
Détection du stimulus (ligand ou agoniste) à la surface de la membrane plasmique : reconnaissance du médiateur extracellulaire par un récepteur.
Transport de 'information via des signaux chimiques vers le cytoplasme
Décodage des messages portés par ces signaux grâce à des récepteurs (communication intercellulaire proprement dite) : transduction
Transfert des ordres (signaux) contenus dans ces messages à la machinerie intracellulaire (communication intracellulaire) ; à ce stade, la protéine réceptrice change de conformation. Elle peut se phosphoryler (par les kinases) ou se dephosphoryler (par les phosphatases).
1
4
3 2
Récepteur
Hormone
Message secondaire (petites molécules) (phosphorylations)
Message primaire
Enzymes
FT
expression des gènes
ADN
Récepteurs : généralités
Spécificité - affinité des récepteurs
R + H RH
Récepteurs hormonaux = protéines membranaires Liaison non spécifiques avec lipides et autres protéines de la membrane plasmique
Liaisons hormones-récepteurs
0 20 40 60 80 100 nM
4000
3000
2000
1000
0
[125 I
] in
sulin
e lié
e (m
olé
cule
s/ce
llule
)
[125I] insuline
liaison totale
liaison spécifique
liaison non- spécifique
Kd
Interactions de faibles énergie réversible (ioniques, hydrophobes)
4 grands types de récepteurs
Les récepteurs canaux
Récepteur - canal Plusieurs sous-unités Canal ionique dont l’ouverture est commandée par un ligand (récepteur de l’acétylcholine à la jonction neuro-musculaire)
Récepteur
Ligand Site fixation Ligand
ion
4 grands types de récepteurs
Les récepteurs à activité enzymatique intrinsèque
Récepteur- enzyme Activité catalytique intrinsèque dans la partie cytosolique
Récepteur classique de type tyrosine kinase (insuline, facteurs de croissance)
Autres fonctions enzymatiques :
• Tyrosine phosphatase (CD45)
• Ser/thr kinase (TGF)
• Guanylate cyclase (ANF)
PI-3K
SH2
SH
2
YP
YP
YP
YP
IR
SS SS
SS
PTB PH
IRS-1
YP
YP
YP
YP
YP
YP
YP
YP
YP YP
4 grands types de récepteurs
Les récepteurs couplés aux protéines G
R
Récepteur
Protéine G transductrice
Enzyme inductrice (ad cyclase, PLC…)
Hormone (adrénaline, sérotonine)
Protéine G activée
Protéine G activée active une enzyme qui produit un messager 2nd
TROIS MODULES Récepteur serpentin à 7 domaines transmembranaires Un transducteur hétérotrimérique protéine G (dépendante des nucléotides guanyliques) Un effecteur enzymes (adényl-cyclase, phospholipase C)
R G E G* E G* E
4 grands types de récepteurs
Les récepteurs couplés à des tyrosine kinases
Tyrosine kinases
cascade de phosphorylations
R
Récepteur
R
Les récepteurs
RECEPTEURS CELLULAIRES DE SURFACE
Membrane plasmique
Récepteur cellulaire de surface
Molécule informative hydrophile
RECEPTEURS INTRACELLULAIRES
Protéine de transport
Récepteur intracellulaire
Molécule informative hydrophobe de petite taille
récepteurs membranaires
trois types de réponse cellulaire
une réponse électrophysiologique (récepteurs canaux-ioniques; une réponse très rapide, moins d'une seconde)
une réponse métabolique (responsable de modifications post-traductionnelles des protéines, réponse enzymatique;rapide de l'ordre de la minute)
une réponse transcriptionnelle ( activant ou inhibant l'expression de certains gènes, réponse plus lente se comptant en heures.
traduire par la production d'un second messager ou de cascade de phosphorylation.
distinguer trois grands types de récepteurs
récepteurs canaux-ioniques, EX:le récepteur nicotinique de l'acétylcholine et le récepteur du GABA.
récepteurs enzymes (ou catalytiques) Ex: récepteurs à activité tyrosine kinase, récepteurs à activité sérine-thréonine kinase, récepteurs à activité guanylate cyclase.
récepteurs couplés
Récepteurs cellulaires de surface et récepteurs intracellulaires
Les récepteurs nucléaires
Récepteurs intracellulaires
Ils interviennent dans la modulation de la transcription des gènes
Ce sont des protéines solubles activées par la liaison de la molécule informative ( localisés dans le noyau, à l’exception du récepteur des glucocorticoïdes situé dans le cytosol).
Les récepteurs nucléaires sont activés par exemple par les hormones stéroïdes qui règlent la transcription des gènes et se fixent sur des séquences ADN spécifiques.
Les hormones ou médiateurs lipophiles traversent la membrane et se fixent sur des récepteurs intracellulaires
Hormones ou médiateurs lipophiles
"Récepteurs"
Translocation Cytosol Noyau
Les récepteurs "nucléaires"
Hormones stéroïdiennes : - glucocorticoïdes (cortisol) - oestrogènes - progestérone - hormones thyroïdiennes - Vitamine D - Aldostérone
Médiateurs lipohiles : - Acide rétinoïque - Acides gras - Prostaglandines - Leucotriènes
Gènes
Translocation Cytosol Noyau
Activation transcription
Le réseau de transduction des signaux
ENTREE
Molécule de la matrice Facteurs de croissance
Kinase 1 Kinase2
Sortie
Kinase3
Une même molécule peut induire différentes réponses selon le type cellulaire
Cellule du muscle squelettique
acétylcholine
contraction
Cellule du muscle cardiaque
relaxation
Cellule sécrétoire
sécrétion
acétylcholine
La cascade de signalisation
Directement de cytoplasme à cytoplasme: Les jonctions communicantes de type gap
Comment les cellules communiquent-elles?
•Jonctions intercellulaires mettant en relation le cytoplasme de deux cellules voisines • Plaques comportant de grands canaux intercellulaires laissant passer de petites molécules hydrophiles
Echange métabolique/électrique Fonctionnement coordonné des cellules d’un tissus
Par l’intermédiaire de molécules liées à la membrane plasmique : Les molécules d’adhérence
Comment les cellules communiquent-elles?
Cellule cible Cellule de transmission
Molécule informative Récepteur
Par l’intermédiaire de molécules sécrétées
Comment les cellules communiquent-elles?
Cellule cible Cellule de transmission
Molécule informative Récepteur
Transmission endocrine = diffusion par voie sanguine hormones glandes endocrines lente
spécificité du signal due à propriétés chimiques des hormones propriétés chimiques des récepteurs
Transmission paracrine = diffusion dans l’environnement cellulaire médiateurs chimiques locaux transmission nerveuse prostaglandines rapide
spécificité du signal due à proximité
Transmission neuronale = diffusion nerveuse neurotransmetteurs immédiate (longue distance mais voie privilégiée, rapide) signal = impulsion électrique transformée en signal chimique spécificité au niveau des synapses (< 100nm de distance, < 1ms)
contact direct communication la plus intime et la plus courte Signal = molécule de membrane de la cellule émettrice Spécificité due à réception = molécule de membrane de la cellule cible
Différents modes de transmission du signal cellulaire
Sécrétion de substance chimique
Contact physique direct
La transmission autocrine coordonne l’action de groupes cellulaires
Autocrine
Transmission paracrine
C’est une diffusion dans l’environnement cellulaire qui se fait par des substances appelées médiateurs chimiques ou cytokines.
NB Un médiateur est une molécule produite par une cellule et agissant sur une autre cellule possédant un récepteur spécifique de ce médiateur.
Exemples • de médiateur de nature lipidique: Les prostaglandines. • de signal paracrine est acide rétinoïque •Les médiateurs gazeux tels le NO, le CO,
C’est une transmission entre cytoplasmes de cellules adjacentes. Chez les organismes pluricellulaires, les cellules se regroupent au sein d’unités fonctionnelles (tissus ou organes),organisation qui nécessite l’étroite coordination de chaque cellule. Afin de réaliser cette coordination, les cellules disposent d’un mode de communication direct et économique : les jonctions communicantes ou jonctions de type gap
contact direct
Jonction communicante de type gap (passage ions et petites molécules)
Transmission endocrine
Les signaux endocrine responsables de cette transmission sont appelés hormones .
C’est une transmission lente qui se fait par voie sanguine.
Les hormones sont donc définies comme étant une substance biochimique synthétisée dans une glande ou cellule endocrine et directement déversée dans le sang ou la lymphe pour engendrer un effet sur un organe ou cellule cible spécifique.
Il existe des hormones: hydrophiles : exemple : TSH,adrénaline, glucagon, etc.. hydrophobes
Transmission neuronale
C’est une diffusion par un messager soluble est un neurotransmetteur : fabriqué par une cellule présynaptique libéré dans la fente synaptique, qui interagit sur des récepteurs spécifiques, à la surface des cellules postsynaptiques
les éléments pré et postsynaptiques sont des neurones.
Cette transmission est immédiate ; le signal est une impulsion électrique transformée en signal chimique
On distingue: les neurotransmetteurs excitateurs : dépolarisant ; la réponse se traduit par l’entré dans le neurone d’ions Na+ ou Ca2+. Il y a une augmentation du potentiel (PPSE)
les neurotransmetteurs inhibiteurs : hyperpolarisation ; la réponse se traduit par la sortie de K+ ou par l’entré de Cl-. Il y a ainsi génération d’un PPSI, qui retarde l’arrivé d’un potentiel d’action.
Le signal arrive sur le récepteur de la cellule cible. Celui-ci envoie un nouveau
message
intracellulaire. Ce message sera transmis à d’autres molécules intracellulaires
qui, par le jeu
d’activation-inactivation, va constituer la réponse de la cellule cible. Cette
réponse s’effectue
par cascade de réactions et par amplification du signal.
Il y a plusieurs fonctions :
_ Transforme le signal initial en une forme moléculaire.
_ Véhicule l’information du récepteur vers l’endroit où se fera la réponse
cellulaire.
_ Amplifie le signal reçu.
_ Distribue le signal à plusieurs endroits de la cellule.
_ Chaque étape peut être soumise à une régulation.
Traduction du signal :
• Le monoxyde d’azote :
En quelques secondes, le monoxyde d’azote va agir en activant une enzyme intracellulaire. Il
se forme à partir de l’arginine et agit comme un médiateur chimique local. Le gaz se dissout
et diffuse rapidement vers une cellule voisine à travers les membranes plasmiques.
Les cellules endothéliales relâchent du monoxyde d’azote en réponse à des stimulations
nerveuses.
• Les hormones stéroïdes :
Elles sont hydrophobes. Elles traversent la membrane plasmique par diffusion simple et se
lient à un récepteur nucléaire pour formé un complexe hormone-récepteur qui change de
conformation, ce qui permet au complexe de se lié à l’ADN et de contrôler la transcription de
gène spécifique.
L’action est longue et immédiate.
Communication sans récepteur membranaire :
C’est toujours une glycoprotéine intrinsèque.
• Récepteurs associés à des canaux ioniques (synapse neuromusculaire) :
Flux d’ions à travers la membrane (courant électrique).
• Récepteurs couplés à une protéine G (le glucagon) :
Activation de la protéine G (cascade de réactions en chaines et amplication).
� Récepteurs enzymes (l’insuline) :
Récepteur activé. Il possède une activité enzymatique qui donne naissance à
d’autres signaux
qui provoqueront la réponse de la cellule cible.
Communication avec récepteur membranaire :
Communication dans l’organisme : pourquoi, comment ?
Modification de l’environnement, besoin
enregistrement
départ signal (SNC)
réponse primaire organe 1 sécrétion médiateur
réponse secondaire organe 2 activation enzyme
(signalisation intracellulaire)
réponse primaire organe 1 : sécrétion médiateur hormones
réponse secondaire organe 2 : activation / induction d’enzymes
Communication dans l ’organisme : comment ?
Activation / induction enzymatique
• augmentation de l’activité
• changement de conformation
• phosphorylation
• augmentation de la quantité d’enzyme
• Modification de l’expression de gènes
Activation Induction
Le système endocrinien constitue un des deux grands systèmes de communication de l’organisme.
Rôle essentiel lors du développement, pour la réalisation de certaines grandes fonctions
physiologique et de l’homéostasie (maintien constant du milieu intérieur).
Le système endocrinien se compose :
• d’organes sécréteur : les glandes endocrines, qui synthétisent et
libèrent dans l’organisme des hormones.
• Des cellules et organes sensibles aux hormones des cellules ou des
organes cibles.
Les hormones sont des messagers chimiques véhiculés par le sang jusqu‘aux cellules sur lesquelles
elles agiront.
LES HORMONES
Le système endocrinien fait intervenir plusieurs dizaines d’hormones différentes.
Les hormones se répartissent en 3 groupes en fonction :
La sécrétion d’Ho peut être déclenchée par des stimulations produites par :
• d’autres hormones
• des variations environnementales (stress)
• des variations homéostatiques (concentration en ions, en nutriments...)
• des influx nerveux
• de leurs mécanismes d’action
• de leurs natures biochimiques
LES HORMONES
Signal endocrine : les différentes classes d'hormones
Hormones peptidiques
Lieu de synthèse
Action principale
Structure Nom
Insuline Chaine A 21 aa Chaine B 30 aa
ilôts b de Langherans
Synthèse glycogène triglycérides
Glucagon 29 aa cellules a de Langherans
hydrolyse glycogène triglycérides
FSH (follicle- stimulating hormone)
Chaine a 92 aa Chaine b 118 aa
hypophyse antérieure
Croissance ovocyte et production oestrogènes
LH (luteinizing hormone) Chaine a 10 aa Chaine b 115 aa
hypophyse antérieure
Maturation ovocyte et production oestrogènes et progestérone
LHRH (LH releasing hormone)
92 aa hypothalamus neurones
Induction production LH
Lieu de synthèse
Action principale
Structure Nom
EGF (epidermal growth factor-1)
NGF (nerve growth factor)
IGF-1 (insulin-like growth factor-1)
PDGF (platelet derived growth factor)
Facteurs de croissance/différenciation
53 aa
70 aa
2 chaînes 118 aa
Chaine A 125 aa
Chaine B 109 aa
mu
ltiples
Cro
issance, d
ifférenciatio
n
Signal endocrine : les différentes classes d'hormones
Les hormones dérivées d’acides aminés
Hormones dérivées de la tyrosine
Lieu de synthèse
Action principale
Nom
Adrénaline médullo-surrénale contraction, lipolyse glycogénolyse
Histamine mastocytes dilatation vaisseaux
Thyroxine Thyroïde contrôle métabolisme
Signal endocrine : les différentes classes d'hormones
Les hormones stéroïdiennes
Les prostaglandines et leucotriènes
Action principale
Nom
Progestérone
Oestradiol
Testostérone
Aldostérone
Cortisol
Hormones sexuelles
Minéralo- corticoïdes
Dérivées du cholestérol
Dérivées de l'acide arachidonique (20:4) et linoléique
Récepteurs nucléaires
Signal endocrine : les différentes classes d'hormones
MODES D’ACTION CELLULAIRE DES HORMONES.
Une hormone n’agit pas globalement mais spécifiquement dans le corps. Seules les cellules cibles de l’hormone y sont sensibles car elles seules possèdent des récepteurs spécifiques de l’hormone.
C’est la présence du récepteur hormonal qui confère à la cellule cible sa sensibilité vis à vis de l’hormone.
Ces récepteurs sont présents
• soit dans la cellule pour les stéroïdes et les hormones thyroïdiennes.
• soit dans la membrane plasmiques pour Ho peptidiques, l’adrénaline, la dopamine, la noradrénaline et la mélatonine
Cellule endocrine
Cellule Insensibles (Re absent)
Re transmembranaire
Re cellulaire
Ho hydrophobe
Ho hydrophile
Protéine de transport
Cellule Cible B EBI
EBI Effet Biologique Induit
Sang
Cellule Cible A
EBI
Cellule endocrine
Jeûne Appareil endocrine
Signal primaire hormone(s)
récepteur(s)
Transduction du signal messager(s) secondaire(s)
Activation enzymatique (GS, GP)
Induction expression gène, synthèse protéique (PEPCK)
kinase(s), phosphatase(s) Facteur(s) de transcription
repas post-prandial
Apport en glucose
Communication dans l ’organisme : pourquoi, comment ?
Les premiers messagers peuvent être: des molécules telles que Le gaz monoxyde d'azote (NO), les neurotransmetteurs, Les hormones glycoproteiques, les facteurs de croissance, etc…
Les premiers messagers
La molécule informative est qualifiée de premier messager ou agoniste lorsqu'elle est reconnue par un récepteur (Bartolami, 2006).
Sont des molécules hydrosolubles et ne traversent pas la membrane plasmique ayant donc leurs récepteurs à la surface de la cellule.
NB Cependant, certaines hormones lipophiles capables de traverser la membrane, telles que stéroïdes, rétinoïdes et hormones thyroïdiennes, ont des récepteurs intracellulaires (cytoplasmique ou nucléaire)
Les seconds messagers
Les molécules de signalisation intracellulaire sont
nommées seconds messagers.
des molécules solubles ou membranaires (diacylglycérol) activées par fixation d’un facteur de signalisation au récepteur
Elles participent à l'amplification du signal.
EX: AMPc: lorsqu’un facteur de signalisation active son récepteur, le signal est transmis vers l’intérieur de la cellule par l’AMPc (Goh et al., 2009; Wojtal et al., 2008).
L’ion calcium Ca2+ l’élément le plus utilisé lors de la transduction du signal. Il agit comme second messager lors de la contraction musculaire, intervient dans la vision par les cellules de la rétine.
l’acétylcholine agit • sur des récepteurs ionotropiques (récepteurs nicotiniques) • sur des récepteurs métabotropiques (récepteurs muscariniques). Il en va de même pour le l’ATP, le glutamate, la sérotonine et le GABA.
Voies de signalisation impliquées dans la communication cellulaire
Récepteurs couplés aux protéines G
Les récepteurs liés aux protéines G sont ainsi appelés parce que leur activité nécessite la présence de guanosine diphosphate (GDP) qui est phosphorylée pour donner la guanosine triphosphate (GTP).
Ils constituent la plus grande famille de récepteurs membranaires de mammifères puisqu’elle représente 3,4 % du génome (Bockaert et Pin, 1999; Gershengorn and Osman, 2001).
C’est une classe de récepteur membranaire dont la fonction est de transformer sélectivement le signal biologique extracellulaire en une cascade d’évènements biologiques intracellulaires (Tang and Insel, 2004; Alberts et al., 2002)
Les protéines G
Protéines G hétérotrimériques (GPCR) : sous membranaires, coté cytoplasmique, impliquées dans la transduction du message hormonal.
R7TM Protéine G
b g
GDP
a
Les protéines G sont des interrupteurs moléculaires des voies de signalisation dont les états actifs/inactifs dépendent de la liaison du GTP
2 types de Protéines G
PG monomériques (petites pGs) : Très nombreuses ; interviennent dans la régulation du cycle cellulaire, du réarrangement du cytosquelette, trafic cellulaire de vésicules membranaires; contrôle synthèse protéine.
Chaîne a (as)
- Soluble, 39 à 46 kDa - Fixation et hydrolyse du GTP - Liaison au récepteur - Liaison à l'adénylate cyclase - Liaison aux chaînes b et g
Chaîne b
37 kDa, membranaire
Chaîne g
8 kDa, membranaire
as
b g
Les protéines G (GPCR)
GD
P
Les protéines G ne sont pas transmembranaires mais sont positionnées sous la membrane plasmique par l’intermédiaire de chaînes lipidiques sur la sous unité g.
Il existe une grande variété de protéines G grandes diversité d’interactions avec les différents R7TM.
Cette grande diversité est surtout due aux sous unités a.
Exemples : Adrénaline, TRH, glucagon, LH.
R7TM Protéine G
b g
GDP
a
Les protéines G (GPCR)
a-GTP une molécule-clé de la transduction. Elle interagit avec l’effecteur membranaire responsable de la synthèse du (ou des) second(s) messager(s) intracellulaire(s)
Hormone se fixe spécifiquement à son Récepteur à la surface cellulaire. La liaison de Hormone sur Recepteur provoque l'interaction de ce dernier avec la protéine Gs La sous unité a est occupée par une molécule de GDP L’association Ho-Re avec protéine G :
• affaiblit considérablement la valeur du Ka du GDP pour la sous unité a • augmente la valeur de Ka du GTP pour cette même sous unité
Echange du GDP en GTP sur le site de la sous unité a entraîne la désagrégation de l'ensemble en trois entités :
• la sous-unité a • l'hétérodimère bg • le complexe Ho-Re
Mécanismes moléculaires de la transduction membranaire
Ces effecteurs sont essentiellement :
adénylate cyclase et phospholipase C
Activation des Protéines G (Gs) : première étape
membrane
Cytosol
Extracellulaire
b g
as
GD
P
Ad
énylate
cyclase
membrane
Cytosol
Extracellulaire
Ad
énylate
cyclase
b g
as
GD
P
1- Liaison du ligand
2- changement de conformation du récepteur
3- Diffusion protéine Gs
4- Association Gs au complexe récepteur-ligand
5- Diminution de l'affinité de as pour le GDP
Activation des Protéines G (Gs) : deuxième étape
membrane
Cytosol
Ad
énylate
cyclase
b g
GD
P
membrane
Cytosol
Extracellulaire
Ad
énylate
cyclase
b g G
TP
GDP
GTP
1- Diminution de l'affinité de as pour le GDP
2- Remplacement du GDP par le GTP sur as
3- dissociation de as et de b/g
Extracellulaire
Activation des Protéines G (Gs) : troisième étape
membrane
Cytosol
Extracellulaire
Ad
énylate
cyclase
1- Libération du ligand
2- changement conformation et désensibilisation du récepteur
3- couplage de as à l'adénylate cyclase et activation de l'adénylate cyclase
GTP
membrane
Cytosol
Extracellulaire
b g
Ad
énylate
cyclase as
ATP
AMPc
GTP
Ad
énylate
cyclase Cytosol
Activation des Protéines G (Gs) : quatrième étape
1- Activation de l'activité GTPase de as
2- réassociation de as à b/g
3- Retour à l'état initial
membrane
Extracellulaire
membrane
Cytosol
Extracellulaire
b g
Ad
énylate
cyclase as
ATP
AMPc
GTP
b g
GD
P as
Adénylate Cyclase APMc PKA
AMPc second messager de l’action de très nombreuses hormones.
ATP AMPc PKA
Dans certains cas, Ho entraînent non pas une stimulation mais une inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase. Dans ces cas, la pG impliquée est une protéine Gi dont la sous unité αi liée au GTP (ai-GTP) inhibe l’activité de l’adénylate cyclase.
L’adénylate cyclase est stimulée par la sous unité as-GTP provenant de l’activation d’un R7TM par son Ho spécifique
L’effecteur impliqué est l’adénylate cyclase. Enzyme présentent 12 segments transmembranaires et deux domaines cytoplasmiques catalytiques
L’adénylate cyclase catalyse la réaction ATP AMPc + PPi
Adénylate Cyclase APMc PKA
La concentration intracellulaire de l’AMPc est contrôlée :
• au niveau de sa synthèse par l’adénylate cyclase (AC)
• niveau de sa dégradation en 5’AMP par une phosphodiestérase (PDE).
PDE sont extrêmement actives la concentration d’AMPc n’augmente que si :
vitesse de synthèse par AC >> sa vitesse de dégradation par PDE.
La [AMPc] intracellulaire est corrélée aux variations de [Ho] extracellulaire. L’AMPc
disparaît lorsque Ho ne stimule plus l’activité de l’adénylate cyclase.
Des inhibiteurs des PDE (caféine) et potentialisent l’action des Ho via le ralentissement
de la dégradation de l’AMPc.
L'AMP cycliste
5'
ATP
Adénylate cyclase
-O - P - O - P - OH
O
O-
O
O-
Pyrophosphate
O - CH2 N
N
N
N NH2
O OH
O
1'
2' 3'
4'
5'
-O - P
AMPc
O
-O - P - O - P - O- P - O - CH2
O O O
O- O- O-
Phosphates
Ribose
Adénine N
N NH2
OH OH
N
N NH2
OH OH
5'
O N
N
Phosphodiestérase
AMPc AMP
Ca2+
Dégradation de l'AMP cyclique
LES MECANISMES ILLUSTRANT LA TRANSMISSION DU SIGNAL CELLULAIRE
Activation de la transcription d’un gène par augmentation de l’AMP cyclique
Récepteurs ions-canaux
Ce sont des protéines transmembranaires hétéro-oligomériques avec une région d'ancrage hydrophobe dans la membrane.
Ils comportent un canal qui permet la communication entre le cytoplasme avec le milieu extracellulaire.
La molécule informative module l'ouverture du canal et régule l'entrée dans la cellule soit des cations Na+ ou Ca2+ : canaux cationiques, soit d'anions Cl-: canaux anioniques
La caractéristique générale de ces récepteurs est la réponse instantanée et de courte durée de transmission du signal.
Les molécules informatives des récepteurs canaux-ioniques sont des neurotransmetteurs
Leurs récepteurs sont donc localisés dans les réseaux nerveux : synapses et plaques motrices.
Si ce sont des cations qui passent, il y aura dépolarisation et donc activation. Si ce sont plutôt des anions qui passent, il y aura polarisation et donc inhibition (Neher et Sakmann, 2008).
Un récepteur activateur : le récepteur nicotinique de l'acétylcholine
•I l fonctionne par un canal cationique non sélectif faisant entrer Na + et Ca2 + et laissant sortir K+
• Il est localisé sur les plaques motrices des jonctions neuromusculaires
• Son agoniste est la nicotine,
• Son antagoniste est le curare.
Un récepteur inhibiteur : le récepteur du GABA
• C'est un canal anionique sélectif faisant entrer du Cl-.
• Il est exprimé au niveau du Système Nerveux Centrale (SNC).
• Ses agonistes sont les benzodiazépines dont le valium.
• La structure de base est proche de celle du récepteur nicotinique : cinq sous-unités protéiques, chacune présentant 4 segments transmembranaires (M1 à M4).
Récepteurs ions-canaux
Récepteurs enzymes
Ce sont des protéines transmembranaires monomériques ayant un domaine de liaison extracellulaire et un domaine catalytique intracellulaire activé par la liaison du ligand.
Ils existent sous forme de monomères, dimères, tétramères et leur activation par le messager module l’activité enzymatique qui est de type kinase ou phosphatase ou encore type guanylate cyclase .
Selon l'activité enzymatique de leur région cellulaire, trois familles se distinguent:
• Récepteurs à activité tyrosine kinase • Récepteurs à activité sérine-thréonine kinase •Récepteurs à activité guanylate cyclase
Récepteurs à activité tyrosine kinase
le récepteur de plusieurs facteurs de croissance Le récepteur de l'insuline un tétramère composé de deux hétérodimères α ß liés par deux ponts disulfures. Les deux hétérodimères sont liés sur les sous-unités α , sous-unités extramembranaires permettant La liaison de l'insuline. La sous-unité ß transmembranaire contient un domaine à activité tyrosine kinase
Lorsque l'insuline se fixe sur les sous-unités α il y a changement de conformation spatiale, ceci activant le domaine kinasique des deux sous-unités ß.
Les tyrosines des sous-unités ß sont alors phosphorylées par l'influence de la sous-unité ß opposée (autophosphorylation).
Le récepteur phosphorylé va recruter vers la membrane une protéine substrat du récepteur pour la phosphoryler à son tour et ainsi déclencher une cascade d'événements biochimiques conduisant à la réponse adaptative. C'est une réponse rapide, post-transcriptionnelle
• Large famille multigénique • La phosphorylation sur tyrosine a comme fonction principale la régulation de signaux intercellulaires (organismes multicellulaires) : croissance, différenciation, adhésion, motilité et mort cellulaire • 90 gènes dans le génome humain – 58 codent pour des récepteurs : RTK, 20 sous-familles • Ex : famille EGFR, famille INSR – 32 codent pour tyrosine kinase non récepteur : nonRTK • Ex : famille JAK, famille SRC
Les protéines tyrosine kinase
• Enzymes capables de phosphoryler une (des) tyrosine(s) dans une protéine
– Protéine + ATP Protéine-Tyr-P + ADP
Récepteur enzyme
Récepteurs couplés à une enzyme
Complexe de signalisation intra cellulaire
• Récepteurs à activité sérine-thréonine kinase
Ces récepteurs n'entraînent pas de réponse électrophysiologique.
Exemple Les récepteurs du TGFß (transforming growth factor-ß)
Le tétramère est formé de quatre sous-unités transmembranaires (deux types : RI et RII) chacune ayant une activité sérine-thréonine kinase.
• Récepteurs à activité guanylate cyclase
sont les récepteurs des peptides Il s'agit d'un homo-dimère transmembranaire. L'activation de la guanylate cyclase en intracellulaire par la fixation du peptide en extracellulaire induit la synthèse d'un second messager, le GMP cyclique (guanosine-3',5'-monophosphate) à partir de GTP.
Les récepteurs couplés à une enzyme
Voies de signalisation de la phospholipase C
Glucose
Glucose-6P
Glucose-1P UDP-Glucose
Glycogène (n résidus)
Glycogène (n+1 résidus)
Synthèse du glycogène
ATP
ADP
UTP
Hexokinase
Phosphogluco mutase
UDP-glucose pyrophosphorylase
PPi
Glycogène synthase
Repas
Communication dans l’organisme : pourquoi ?
Exemple synthèse / dégradation du glycogène
Glycogène phosphorylase
Jeûne Dégradation du glycogène
Glycogène (n+1 résidus)
Glycogène (n résidus)
Glucose-1P +
Glucose
Glycémie constante
Protéine kinase
GP forme b (peu active)
synthèse/dégradation du glycogène : comment ?
GS forme a (active)
OH GS forme b (peu active)
P
GP forme a (active)
P
Foie
Glucose Glycogène synthétase (GS)
Glycogène phosphorylase (GP)
Glycogène
Protéine kinase
Protéine phosphatase
Protéine kinase
Protéine phosphatase
Hormones et récepteurs couplés aux protéines G
Effets du glucagon sur le métabolisme glucidique
hypoglycémie
Cellules a
Glucagon
Stimulation : Glycogénolyse Néoglucogenèse Inhibition : glycolyse
Hydrolyse TG
Adénylate Cyclase APMc PKA
Le site d'action de l'AMP cyclique est une enzyme, la PKA (Protéine Kinase
AMPcyclique dépendante) qui catalyse la phosphorylation de protéines
spécifiques sur certains de leurs résidus Ser ou thr
Cette phosphorylation entraîne des changements de propriétés de ces protéines
qui vont produire dans la cellule la réponse biologique à Hormone
Diverses protéines (enzymes, protéines du cytosquelette, facteurs de
transcription etc...) sont phosphorylées sur Ser/thr par PKA
Activation de la PKA par l'AMPc
Protéine kinase A (PKA)
Sérine/thréonine kinase - 2 sous unité catalytique (C) - 2 sous unités régulatrice (R)
C
C R
R
+ AMPc R
R
C
C
+
Motif consensus de la PKA Arg - Arg - X- Ser
+ ATP
Ad
énylate
cyclase as ATP
AMPc GTP
Augmentation de la transcription du gène PEPCK par la PKA
Noyau
Gène PEPCK
Glucagon
transcription gène PEPCK
PKA
GRU C/EBP CRE
Promoteur PEPCK
CRE : Cyclic AMP Response Element
quantité PEPCK
AMPc
Oxaloacétate
P E P
Glucose
GDP
GTP
PEPCK CO2
Communication dans l’organisme : pourquoi ?
Exemple néoglucogenèse
pyruvate
P E P
Glucose
Cycle de Krebs
Chaîne respiratoire
ADP
ATP
Formation ATP (énergie)
Glycolyse
Pyruvate kinase
PEPCK :PEP carboxykinase
Mu
scle
Oxaloacétate
Glucose
GDP
GTP
CO2
Maintien glycémie (fonction cérébrale)
Néoglucogenèse
PEPCK
P E P
pyruvate CO2
Foie
Ca2+ : l'autre second messager intracellulaire
[Ca2+] cytosolique est maintenu basse à l'état basal
Noyau
[Ca2+] = 10-7 M [Ca2+] ~ 10-3 M
Ca2+
Ca2+
Na+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
ATP ADP ATP
ADP RE
Mito
NH3+ COO
-
Boucle de 12 aa (riche en Glu et Asp) "basse affinité"
Boucle de 12 aa (riche en Glu et Asp) "haute affinité"
Hélice
a
Calmoduline : ubiquitaire (107 molécules/cellules = 1% des protéines)
COO- Fixation du calcium
Changement de conformation
Ca2+
La calmoduline : un récepteur calcique intracellulaire
NH3+
Interactions avec
- kinase des chaînes légères de myosine - Phosphorylase kinase - AMPc phosphodiestérase
Ser/Thr kinases
Intersections des voies de l'AMPc et du Ca2+
: calmoduline
Phosphorylase kinase
PKA
GPb (peu active) OH
AMP
AMPc Phospho- diestérase
b g
a
Ca++
AMPc
P
+
+
+
GPa (active) P
Les enzymes de la production et dégradation du glycogène : cibles de la PKA
Glucose Glycogène
GP forme b (peu active)
OH
GP forme a (active)
P
PP1
PK : Glycogène phosphorylase
P PK active
PP1
PKA
PK inactive
PP1 PKA
GS forme a (active)
OH
GS forme b (peu active)
P
GS : Glycogène synthase
GP
GS
Un certain nombre d’Ho (GH), (PRL), (EPO), la leptine… utilisent une voie de
signalisation semblable à celle des cytokines (interleukines, interférons).
protéines monocaténaires un seul segment transmembranaire
le domaine extracellulaire le site de liaison spécifique à l’hormone.
Le domaine intracellulaire
ne présente pas activité catalytique
peut interagir directement avec des Protéines Kinases
cytoplasmiques
active ces Protéines Kinases
Structure des récepteurs
pas intervention de second messager intracellulaire
LES RECEPTEURS AUX CYTOKINES
Jak
phosphorylation réciproque des deux molécules de JAK2 JAK2-P activées
PHOSPHORYLATION
JAK2: Janus kinase
STRUCTURE AU REPOS
Protéines monocaténaires un seul segment transmembranaire Le domaine extracellulaire le site de liaison spécifique à l’hormone
la liaison de Ho homodimérisation du Re Homodimérisation changement de conformation du Re Fixation de JAK2, protéine tyrosine-kinase, sur chacun des deux domaines intracellulaires de l’homodimère.
FIXATION / ACTIVATION
Jak YP YP
LES RECEPTEURS AUX CYTOKINES
le facteur de transcription STAT, venu se lier au Re au niveau de YP par JAK2, sera lui-même phosphorylé et activé par JAK2.
JAK2-P va, à son tour, phosphoryler sur Y : • la région C-term du domaine
intracellulaire du récepteur
ACTIVATION / PHOSPHORYLATION
Jak YP YP
Jak
STAT YP
STAT
Les FT STAT phosphorylés sur certaines de leurs tyr vont se dimériser, pénétrer dans le noyau et stimuler la transcription de gènes.
STAT: Signal Transducer and Activator of Transduction
STAT
YP STAT
YP
• le facteur de transcription STAT
LES RECEPTEURS AUX CYTOKINES
YP
YP YP
YP
Target-Gene
1- liaison du TGFß sur RII 2- hétérodimérisation de RI et RII 3 - transphosphorylation de RI par RII 4 - stimulation de l’activité Ser-kinase de RI 5 - phosphorylation des R- SMAD par RI 6 - homo- ou hétérodimérisation des RSMAD et association avec le Co-SMAD 7 - entrée du complexe dans le noyau et activation de l’expression des gènes
Transmission du signal TGFß
• Super-famille de facteurs ubiquitaires contrôlant la croissance, le développement et la différentiation – 4 TGFß – Activine, inhibine, hormone antimüllérienne • Récepteurs – Type III : protéoglycane transmembranaire qui stocke le TGFß et le présente aux deux récepteurs de signalisation – Type II : liaison du TGFß, activité sérine kinase – Type I : transduction du signal, activité sérine kinase • Signalisation intra-cellulaire : les protéines SMAD, facteurs de transcription – R-SMAD, activés par phosphorylation sur Ser: SMAD 1, 2, 3, 5, 8 – Co-SMAD, non phosphorylés : SMAD 4 – I-SMAD complexe avec RI, empêche la phosphorylation des R- SMAD :SMAD 6,7
La famille des Transforming Growth factors ß, TGF ß
Transcription des gènes
Croissance cellulaire
?
?
?
EGF
Tyr 1168 1148 1173
La tranduction du signal des facteurs de croissance
Exemple de l'EGF et du PDGF
Survie et croissance cellulaire : quel signal ?
Messagers secondaires communs à toutes les cellules : Ca2+, AMPc, DAG etc..
Grandes voies de transduction communes :
PKA, PKC, MAP kinases...
Diversité des composantes de chacune de ces voies Régulations entrecroisées entre les voies
Spécificité de la réponse à un effecteur donné
Conclusion I
Hormone
Récepteurs membranaires Messagers secondaires Cascades de phosphorylation Phosphorylations enzymes cytosolique Activation facteurs de transcription
Récepteur cytosolique ou nucléaire Activation transcription (Signal rapide)
Identification
- des récepteurs
- des protéines couplées aux récepteurs
- des protéine kinases
Détermination de cibles thérapeutiques
Conclusion II
Cellules
Fact Crois TGFα
Hormones hydrophiles
Hormones hydrophobes
Fact survie IGFα
Ions
Médicaments
N
M
Fact inh Crois TGFβ
Fact mort FasL
MEC
Information sortante Information entrante Cellules et tissus
N
M
N
M
Vue d’ensemble de la communication cellulaire (1) : les signauxx
Modification de l’expression des
gènes
Modification de l’homéostasie
cellulaire
Mitochondrie
Noyau
ER Golgi Endosomes Lysosomes
E-cadhrins
RTK
Pgpc
Fact mort FasL
Fas
Cytosol
Membrane
Fact inh Crois TGFβ
TGFβR
Vue d’ensemble de la communication cellulaire (2) : les récepteurs et les voies de signalisation
Cellules
MEC Integrins
Fact Crois TGFαc
Hormones hydrophiles
7-TMR
Hormones Lipophiles
Fact survie IGFα
RTK
Ions Canal
Médicaments
Mitochondrie
Noyau
ER Golgi Endosomes Lysosomes
Cellules E-cadhrins
MEC Integrins
Fact Crois TGFαc RTK
Hormones hydrophiles
7-TMR
Hormones Lipophiles
Fact survie IGFα
RTK
Ions
Canal
Médicaments
Pgpc
Fact mort FasL
Fas
Cytosol
Membrane
Fact inh Crois TGFβ
TGFβR
Vue d’ensemble de la communication cellulaire (3) : les cibles
Modification de l’expression des
gènes
Modification de l’homéostasie
cellulaire
Mitochondrie
Noyau
ER Golgi
Endosomes Lysosomes
Cellules E-cadhrins
MEC Integrins
Fact Crois TGFαc RTK
Hormones hydrophiles
7-TMR
Hormones Lipophiles
Fact survie IGFα
RTK
Ions
Canal
Médicaments
Pgpc
Fact mort FasL
Fas
Cytosol
Membrane
Fact inh Crois TGFβ
TGFβR
Modification de l’expression des
gènes
Modification de l’homéostasie
cellulaire
Vue d’ensemble de la communication cellulaire (4) : les effecteurs
trafic Intracellulaire
SécrétioN
Synthèse protéique ou dégradation
Mort cellulaire apoptose
Mitochondrie
Noyau ER Golgi
Endosomes Lysosomes
Cellules E-cadhrins
MEC Integrins
Fact Crois TGFαc RTK
Hormones hydrophiles
7-TMR
Hormones Lipophiles
Fact survie IGFα
RTK
Ions
Canal
Médicaments
Pgpc
Fact mort FasL
Fas
Cytosol
Membrane
Fact inh Crois TGFβ
TGFβR Modification de l’expression des
gènes
Modification de l’homéostasie
cellulaire
Vue d’ensemble de la communication cellulaire (5) : les effets
trafic Intracellulaire
SécrétioN
Synthèse protéique ou dégradation
Différenciation Et fonctionnalité
cellulaire
Prolifération cellulaire
(cycle)
Mort cellulaire apoptose
Vue d’ensemble de la communication cellulaire (6) : en résumé…
N
N
N
N
Signaux
N N
1 3 2
Le devenir de toute cellule se résume à trois possibilités :
Prolifération Différenciation Apoptose
Ces molécules sécrétées peuvent être: -Des hormones : hormones stéroïdiennes (lipides), glycoprotéines. On parle de signalisation endocrine . - Des neurotransmetteurs (acides aminés ou des dérivés des acides aminés) - Des facteurs de croissance (et parfois des morphogènes).
Quatre modalités de communication
La communication cellulaire peut se faire par les jonctions communicantes (jonctions GAP). Celles-ci assurent un couplage métabolique et un couplage électrique entre les cellules.
L'adhérence cellule - cellule. Implique les molécules appelées CAM (Cell Adhesion Molecules). Il existe plusieurs familles de CAM, les deux principales sont : - la superfamille des Immunoglobulines - la famille des cadhérines (adhésion Ca2+ dépendante).
L’adhérence cellule - matrice extracellulaire. Ces protéines membranaires appartiennent à la famille des intégrines (SAM, Substrat Adhesion Molecules) et représentent les récepteurs membranaires spécifiques des molécules des matrices extracellulaires.
La communication à distance. Elle se fait par l'intermédiaire de molécules sécrétées
résumé