La Signalisation intracellulaire

La Signalisation intracellulaire

Comment les cellules communiquent-elles ?

Cellule sécrétrice Cellule cible

Molécule de signalisation Récepteur

Cellule sécrétrice Cellule cible

Molécule de signalisation Récepteur

Les différents types de récepteurs

• Les récepteurs membranaires

Récepteur membranaire de surface

Molécule de signalisation hydrophile

• Les récepteurs intracellulaires

Protéines de transport

Molécule de signalisation hydrophobe

Récepteur intracellulaire

Les différents formes de communications des molécules de signalisation sécrétées

• La communication paracrine

• La communication synaptique

Les différents formes de communications des molécules de signalisation sécrétées

• La communication endocrine

• La communication autocrine

Comment la cellule répond elle à ces signaux ?

Signaux extracellulaires

Différenciation Apoptose Prolifération

Les différents types de récepteurs membranaires

• Les récepteurs ionotropiques

Canal ionique

enzymeprotéine GEnzyme activée

• Les récepteurs couplées aux protéines G

• Les récepteurs avec une activité enzymatique

Domaine catalytique inactifDomaine catalytique actif

Les récepteurs à activité enzymatique intrinsèque

Différentes activités enzymatiques intrinsèques ont été mise en évidence :

• Activité tyrosine kinase (PTK)

Ex : le récepteur au PDGF, à l’EGF ou les récepteurs aux cytokines

• Activité sérine/thréonine kinase

Ex : le récepteur au TGF

• Activité tyrosine phosphatase (PTPase)

Ex : CD45

• Activité guanylate cyclase

Ex : Récepteur à l’ANF (Atrial Natriuretic factor)

Quelles sont les étapes de la signalisation ?

Facteur de transcription

Protéines du cytoplasme

Modification de l’expression des gènes

Modification du métabolisme, de la structure cellulaire

Molécule de signalisation extracellulaire

Récepteur membranaire

Protéines de signalisation intracellulaires

Protéines cibles

G2

M

G1

SG2

M

G1

SG2

M

G1

S

Réponse de la cellule et cycle cellulaire

Mitogènes

Agent de différenciation

Signaux de mort

Prolifération

Différenciation Apoptose

Les récepteurs à activité tyrosine kinase

Famille des Récepteurs à activité Tyrosine Kinase (RTK)

D ’après P Blume-Jensen and T Hunter, Nature 2001: 411, 355

Les ligands des RTK

Epidermal Growth factor (EGF)

Récepteur à l’EGF (EGFR)

Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires

Insulin Growth factor (IGF 1 et 2)

Récepteur à l’IGF1 (IGF1 R)

Stimule la croissance cellulaire et la survie

Nerve Growth factor (NGF)

Récepteur au NGF (NGFR)

Stimule la croissance cellulaire et la survie de nombreux neurones

Platelet-derived Growth factor (PDGF)

Récepteur au PDGF (PDGFR)

Stimule la croissance, la survie et la prolifération de nombreux types cellulaires

Macrophage-colony stimulating factor (M-CSF)

Récepteur au M-CSF (M-CSFR)

Stimule la prolifération des monocytes/macrophages et la différenciation

Fibroblast Growth factor (FGF)

Récepteur au FGF (FGFR)

Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires et inhibe la différenciation de certains précurseurs cellulaires

La dimérisation du récepteur RTK

PDGF

Dimérisation du récepteur

La fixation du ligand induit une dimérisation (ou oligomérisation du récepteur)

L’activation du récepteur RTK

PDGF PDGF PDGF

P

P

P

Dimérisation du récepteur

Activation de l’activité kinase

Autophosphorylation du récepteur

La dimérisation du récepteur induit l’activation de l’activité tyrosine kinase du récepteur et ainsi son autophosphorylation

Signalisation intracellulaire et phosphorylation

Activateur non phosphorylé (non actif)

Activateur phosphorylé (actif)

KINASE

(ajout d’un groupement phosphate)

PHOSPATASE

(élimination d’un groupement phosphate)

La transduction intracellulaire du signal se fait par un mécanisme de phosphorylations intracellulaires

Signalisation intracellulaire et phosphorylation

Récepteur phosphorylé et actif

Activation de protéines kinases intracellulaires

Cascades de phosphorylations intracellulaires

Domaines de reconnaissance des résidus tyrosines phosphorylées

P P

P

• Phosphorylation de tyrosines du domaine porteur de l’activité kinase

Contrôle de l’activité kinase du récepteur

• Phosphorylation de tyrosines dans des zones non catalytiques

Sites de liaison des domaines SH2 (Sarc homology 2) ou PTB (phosphotyrosine binding) présents au sein de nombreuses protéines

Interaction tyrosine phosphorylée / domaine SH2

Jaune : récepteur avec la tyrosine phosphorylée (groupement phosphate en rouge)

Blanc: domaine SH2

Le phosphate est chargé négativement. Il vient s’insérer dans la poche positive du domaine SH2

Activation des voies de signalisation

P P

P

P P

P

Recrutement de médiateur à la membrane via une interaction domaine SH2/tyrosine phosphorylée

Induction de la cascade d’activation intracellulaire

Les grandes voies de signalisation induitesPDGF

P

P

PVoie des MAP kinases (mitogen-activated protein

kinase)

Voie de la PI3 kinase/Akt

Activation des facteurs de transcription et expression des gènes

Prolifération

La voie de la PI3-kinase/Akt

La protéine PI3-kinase (phosphatidylinositol 3-kinase) est constitué de deux sous-unités :

• une sous-unité régulatrice, p85: elle contient deux domaines SH2

• une sous-unité catalytique p110PDGF

P

P

P

p85p110

PI3K

La PI3kinase est recrutée au niveau du récepteur via les domaines SH2 qui constituent sa sous unité régulatrice

L’activation de la PI3-kinase

L’association de la PI3-kinase aux tyrosines phosphorylées du récepteur induit une modification conformationnelle de la protéine

Activation de la sous-unité catalytique de la PI3-kinase

La PI3-kinase phosphoryle les lipides membranaires

Les lipides membranaires ainsi phosphorylés jouent le rôle de 2nd messagers

L’activation de la protéine Akt (protein kinase B ou PKB)

Les lipides membranaires phosphorylées servent de point d’ancrage à deux protéines kinase: les phosphoinositide-dependent kinase, la PDK1 et Akt

L’activation de la protéine Akt (PKB)

• L’interaction se fait via des domaines particuliers appelés domaines PH (domaine Pleckstrin homologie)

• L’interaction de Akt avec les lipides permet un changement de conformation. Akt peut alors être phosphorylé et donc activé par PDK1

Akt induit la prolifération

Akt va induire la prolifération cellulaire de différentes façons:

• il induit l’activation du cycle cellulaire

• il active des facteurs de transcription qui vont permettent l’expression de gènes impliqués dans la prolifération

• il bloque l’apoptose

Akt bloque la dégradation de la cycline D

GSK3 GSK3P

Actif Inactif

Akt

Cycline D Cycline DP

Ubiquitination et dégradation de la protéine

Akt inhibe la phosphorylation de la cycline D en inhibant la kinase GSK3(Glycogen synthase kinase). Il bloque ainsi la dégradation de la cycline D

Akt active le facteur de transcription NF-B

NF-B

I-B

I-B est un inhibiteur du facteur de transcription NF-B

Le facteur de transcription reste dans le cytoplasme

Akt Phosphorylation de I-B

Dégradation de I-B

Libération de NF-BNF-B migre dans le noyau et induit l’activation des gènes

Rétrocontrôle de la voie PI3-Kinase/Akt

PI(4,5)P2 PI(3,4,5)P3Akt

PTEN

PTEN (Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10) déphosphoryle les lipides membranaires

Décrochage de Akt de la membrane plasmique

Inactivation de Akt et arrêt du signal

La voie PI3-kinase/Akt et cancers

Dans des conditions normales :

La voie PI3-kinase/Akt et cancersDans les gliomes (tumeurs cérébrales), PTEN est inactivé

PTEN est un gène suppresseur de tumeur

PDGF

P

P

PVoie des MAP kinases

Voie de la PI3 kinase/Akt

Prolifération

Résumé

Augmente la quantité de cycline D

Active le facteur NF-B

La voie des MAPK (Mitogen Activated protein kinase)

Chez les Mammifères, la voie des MAPK se divisent en 4 sous-familles:

• la voie Erk1/2 (extracellular signal-regulated kinase)

• la voie Jnk (Jun kinase)

• la voie p38

• la voie Erk5

L’activation de ces différentes voies dépend du type cellulaire et du signal extracellulaire impliqué

La cascade d’activation des MAPK

Les MAPK sont activées par une cascade de protéines kinases

Stimulus

Activateur

MKKK

MKK

MAPK

Substrat

Ras

Raf

MKK1

Erk1/2

Rac

MEKK1

MKK4

Jnk

Facteur de croissance

Elk1 c-jun

La voie Erk1/2

PDGF

P

P

P

p110

PI3K

Pp85Grb2 sos

Domaine SH2

Interaction avec les Ptyr du récepteur

Domaine SH3

Interaction avec la région riche en proline de Sos

Grb2 est un adaptateur qui permet le recrutement la protéine Sos à la membrane au niveau du récepteur

Activation de Ras par Sos

PDGF

P

P

P

PGrb2 sos

ras rasGDP GTP

Inactif Actif

Sos est un facteur d’échange de nucléotides guanine (GEF) qui permet l’activation de ras

Activation de Raf par Ras

Inactif

actif

L’association de ras avec Raf modifie l’interaction entre Raf et les protéines 14-3-3 du cytoplasme

Raf adopte une conformation active

Ras Rho Rab Arf Ran

H-RasN-RasK-Ras

TC21

Rap1Rap2

R-Ras

RalARalB

RhoARhoBRhoC RhoGRhoE

CDC42

Rac1Rac2

Rab1-N Arf1-6 Ran

La Famille des Protéines GTPases Ras

. Ras est le Membre Fondateur d’une Famille de plus de 70 GTPases

. Très conservée: les 164 acides aminés du ras humain et poulet ne diffèrent qu’à deux positions

. La Conservation Témoigne de Fonctions Essentielles à la Cellule.

ProliférationDifférenciation

CytosqueletteMigration

TransportNucléaire

Activation de Erk1/2

Raf => MKK1 (Map kinase kinase)

Mise en place d’un cascade de phosphorylation par des protéines sérine/thréonine kinases

Rafactif

P

P

MKK1 MKK1actif

actif

inactif

inactifErk1/2 Erk1/2

Migration dans le noyau de la cellule

Erk1/2 induit l’expression de c-fos

PErk1/2

noyau

PErk1/2

Elk1

Facteur de transcription inactif

Elk1P

actif

Gène c-fos

Elk1P

++ Expression de c-fos

La voie des Jnk

Ras

Raf

MKK1

Erk1/2

Rac

MEKK1

MKK4

Jnk

Facteur de croissance

Elk1 c-jun

• Rac comme Ras est une petite GTPase

Rac

Rac

GDP

GTP

Inactif

Actif

La voie des Jnkc-Jun N-terminal kinases

MEKK1actif

P

P

MKK4 MKK4actif

actif

inactif

inactifJnk Jnk

Migration dans le noyau de la cellule

MEKK1Inactif

Rac

Comment se fait l’activation de Rac ?

Rac RacGDP GTP

actifInactifVav, Sos

Vav et Sos sont des GEF (Guanine nucleoside exchange factor) capable d’activer Rac

Comment se fait l’activation de ces GEF ?

Il existe différentes voies d’activation

• Vav possède un domaine PH (domaine Pleckstrin homologie). Il peut ainsi être activé par la PI3-K

PIP3

Vav Domaine PH

Activation de Vav

La voie des MAPK et la voie de la PI3-K sont interdépendantes

Comment se fait l’activation de ces GEF ?

• La phosphorylation de Sos contrôle les interactions avec ces partenaires protéiques

Grb2 sos

Sos a une activité Ras-GEF activé

Activation de Ras et de la voie Erk1/2

sosP

Grb2

sosP

E3b1Eps8

Sos a une activité Rac-GEF activé

Activation de Rac et de la voie Jnk

La voie de Jnk : récapitulatif

P

P

P

Activation de la PI3-K

Vav s’associe aux lipides phosphorylés

Activation de Vav

Activation de Rac

Activation de la voie Erk1/2

Erk1/2 phosphoryle Sos et bloque son association avec Grb2

Sos s’associe à E3b1 et Eps8

Activation de l’activité Rac-GEF de Sos

Activation de la voie Jnk

Jnk phosphoryle le facteur de transcription c-jun

Une fois activé, Jnk migre dans le noyau ou il induit la phosphorylation de c-jun sur deux résidus sérines

Les MAPKs stimulent le facteur de transcription AP1 (adaptor-related protein complex 1)

Le facteur de transcription AP1: c-fos

cytoplasme

noyau

PJnk

PJnk

PErk1/2

PErk1/2

c-jun

c-fos c-jun

P

Phosphorylation de c-jun

c-fos

Induction de l’expression

Activation du facteur de transcription AP1

AP1 active l ’expression du gène de la cycline D

Gène cycline D

-

Gène cycline D

c-fos c-jun

P

Cycline D

Cycline D

Cycline D

Cycline DCycline D

Activation du cycle cellulaire

PDGF

P

P

P

Voie de la PI3 kinase/Akt

Prolifération

Augmente la quantité de cycline D

Active le facteur NF-B

Résumé

Active le facteur AP1

Induit l’expression de la cycline D

Voie des MAPKs

Active Jnk

Phosphoryle c-jun

Active Erk1/2

Induit c-fos

Voie des MAPKs et Cancer

Dans de nombreux cancers, Ras présentent une mutation ponctuelle, qui le rend constitutivement actif

Ras muté et autoactif

MAPK toujours actives

Prolifération

Ras est un ONCOGENE

Les récepteurs aux cytokines

• Les récepteurs aux cytokines n’ont pas d’activité kinase intrinsèque, ils sont associées à des protéines kinases cytoplasmiques

• Les cytokines sont des petites protéines qui contrôle la réponse immunitaire. Elles peuvent induire différentes réponses biologiques: inflammation, prolifération ou encore différenciation

• Les études sur les voies de signalisation suite à une stimulation par les récepteurs aux cytokines ont permis de caractériser la voie Jak/STAT

L ’exemple de l’IL-6

IL-6

Dimérisation du récepteur et acivation

des protéines Jak

Jak

Les protéines kinases Jak (Janus kinase) sont constitutivement associées aux récepteurs

Jak Jak

IL-6

Jak Jak

PP

Dimérisation du récepteur et acivation

des protéines Jak

L ’activation des facteurs STAT3signal transducer and activator of transcription (STAT)

IL-6

Jak Jak

PPStat3

Domaine SH2

Les facteurs de transcription Stat3 sont recrutés au niveau du promoteur via leur domaine SH2

IL-6

Jak Jak

PPStat3

Les protéines kinases Jak phosphorylent les facteurs Stat3 sur un résidu tyrosine

P

L ’activation des facteurs STAT3

IL-6

Jak Jak

PPStat3 P

noyau

P P

Stat3

Stat3

Dimérisation des protéines Stat3

P P

Stat3

Stat3

Translocation nucléaire

Les facteurs STAT3 activent l’expression des gènes

Gène cible

-

++P P

Stat3

Stat3

Parmi les gènes cibles de Stat3 se trouvent de nombreux gènes impliqués dans la régulation du cycle cellulaire

La voie Jak/Stat et Cancer

Le facteur de transcription Stat3 est constituvement actif dans de nombreux cancers

cDNA Stat3 cis

Fibroblaste de souris

Transfection

Les cellules forment des colonies en milieu agar

Les cellules induisent la formation de tumeurs dans des souris nude

Les facteurs de transcription STAT3 sont impliqués dans le processus d’oncogenèse

Les récepteurs à activité enzymatique intrinsèque

Différentes activités enzymatiques intrinsèques ont été mise en évidence :

• Activité tyrosine kinase (PTK)

Ex : le récepteur au PDGF, à l’EGF ou les récepteurs aux cytokines

• Activité sérine/thréonine kinase

Ex : le récepteur au TGF

• Activité tyrosine phosphatase (PTPase)

Ex : CD45

• Activité guanylate cyclase

Ex : Récepteur à l’ANF (Atrial Natriuretic factor)

Le récepteur au TGF

TGF : Transforming growth factor b

Le récepteur au TGF est constitué de deux sous unités différentes

TR-II TR-I

TR-IITR-I

Domaine intracellulaire à activité kinase

+ +

Autophosphorylation +-Phosphorylation de l’autre sous-unité +-

Phosphorylation des Smad

-+

L’activation du récepteur au TGF

TR-II TR-I

TGF

Le TGFb induit un rapprochement des chaines réceptrices

P

Activation de l’activité kinase de TR-II

Phosphorylation et activation de l’activité kinase de TR-I

L’activation des facteurs de transcription Smad

PSmad2/3

Smad2/3P

Smad2/3P

Smad4

Smad2/3P

Smad4

++Smad2/3

P

Smad4

Hétéro dimérisation

Translocation nucléaire

Activation de la transcription