Communication/Signalisation

Communication/Signalisation

• Organisme pluricellulaire• Objectif: conservation de l ’individu et de l ’espèce

• Moyen: matière et énergie prélevées du milieu extérieur

• Structure hiérarchisée• nécessité : des communications soit un échange

d ’informations en relation avec l ’environnement – Coordination des changements adaptatifs

– assurer le développement de l ’individu

» Formation de l ’organisme à partir du zygote (conservation de l ’individu)

» reproduction (conservation de l ’espèce)

Communication/Signalisation

• Société cellulaire– Organisme humain 10 000 milliards de cellules

intégrées dans un réseau de communications• émission de signaux

– provenant des autres cellules

– destiné à d ’autres cellules

– informant sur la matrice extracellulaire et sur le milieu extérieur

Communication/Signalisation

Survie

division différenciation

Mort

20% des gènes codent pour des protéines de la communication

Cellule émettrice

Cellule réceptrice

Messager chimique

récepteur

réponse

Communication/Signalisation

• Communication par voie nerveuse– transmission synaptique

• Communication par voie humorale– transmission endocrine ou neuroendocrine

• Communication par voie locale– transmission paracrine et autocrine

Communication/Signalisation

Communication/SignalisationLocale

Autocrine

Paracrine

Médiateurs locaux: Cytokines, NO, PG

Communication/Signalisation

circulation

Cellule endocrine/neuroendocrine Cellule cible

Messagers : hormones sécrétées dans le sang par les cellules endocrines et agissent à distance sur les cellules cibles la

distance rend les communications assez lentes. la diffusion est large donc la spécificité doit être extrême

Communication/Signalisation

Messager: neurotransmetteur ou neuromédiateur, les faibles distances (messager/récepteur) sont responsables de la vitesse de communication

Communication/SignalisationCommunication par jonctions lacunaires

Jonction GAP (connexons)

Communication par les molécules d ’adhérences (juxtacrine)protéine CAM (cell adhesion molecules) intégrines, sélectines ….

Communication/Signalisation

Cellule émettrice

Cellule réceptrice

Messager chimique X

récepteur

Réponse Y

Rétrocontrôle négatif ou positif (moins fréquent)

Cellule émettrice

Cellule réceptrice

Messager chimique X

récepteur

Réponse Y

Rétrocontrôle par X

Communication/Signalisation

Cellule émettrice 1

Cellule réceptrice

récepteur

Réponse Y

Communication/Signalisationrégulation

X

Cellule émettrice 2Cellule émettrice 3

Messagers chimiques

• Une cellule émettrice peut produire plusieurs messagers

• Un même messager peut être impliqué dans différentes communications

• Un messager impliqué dans un type de communication peut produire des effets différents selon le type cellulaire

• Une cellule réceptrice peut produire les mêmes effets avec différents messagers

Messagers chimiques

• Les messagers interagissent avec des récepteurs membranaires ou cytoplasmiques

– les molécules hydrosolubles avec les récepteurs membranaires• hormones peptidiques , cytokines, neurotransmetteurs….

– Les molécules liposoluble avec les récepteurs cytoplasmisques• hormones stéroïdes, thyroïdienne, rétinoïde, NO

– Exceptions• les dérivés du tétrahydrocannabinol et certains stéroïdes ont des récepteurs

membranaires

– Conséquences• Les hormones liposolubles sont véhiculées dans le sang sous forme liées et

leurs demi-vie est longue

• Les hormones hydrosolubles sont sous formes libres leurs demi-vie est courte

• seules les formes libres sont actives

Messagers chimiques

• La liaison d ’un messager à son récepteur active une voie de signalisation intracellulaire

• Les messagers hydrophobes sur les récepteurs cytoplasmiques est directe par activation d ’un facteur de transcription

– augmentation de la synthèse de protéine

• Les messagers hydrophiles sur les récepteurs membranaires mettent en

jeux des voie d ’activation intracellulaire complexe – modification des propriétés de canaux ioniques, du métabolisme, du

cytosquelette

• toutes ces modification affectent soit le métabolisme , la division la différenciation ou l ’apoptose des cellules

Les récepteurs

• Caractéristiques

• spécificité, affinité,saturabilité,réversibilité, couplage

• Deux groupes– les récepteurs nucléaires ou cytoplasmiques

(solubles)– Les récepteurs membranaires

Les récepteurs

• Les récepteurs cytoplasmiques sont des facteurs de transcription activés par un ligand, ils forment une superfamille de récepteurs dont certains ne possèdent pas de ligand connu: les récepteurs orphelins

• L ’activation de ces récepteurs cytoplasmiques entraîne une translocation nucléaire

• un récepteur nucléaire est nommé par l ’initiale du ligand avant R pour récepteur

• récepteurs aux glucocorticoïdes ou GR

Les récepteurs membranaires• Récepteurs récepteurs ionotropiques

• Récepteurs non canaux ioniques ou métabotropiques (une enzyme qui produit un second message)– RTK (enzyme intrinsèque)– (RCPG) Récepteurs couplés aux protéines G

(enzyme associée)

Les récepteurs membranaires

• Récepteur transduisant le signal par l ’intermédiaire de protéine G

• On estime que 40% des cibles pharmacologiques sont des RCPG

signaux

• Augmentation d  ’AMPc

• Diminution d ’AMPc

• Augmentation d ’IP3 et de Ca++

LigandRécepteurTransducteurEffecteurSecond messager

Les protéines G sont des hétérotrimères avec 3 SU , , .

Une protéine G qui active la formation d'AMPC est une G stimulatrice ou Gs avec une SU Gs.

Gs épinéphrine, glucagon, vasopressine.

Le récepteur pour l'épinéphrine est le récepteur -adrenergique

Plusieurs récepteurs peuvent lier un même ligand et un même ligand peut stimuler différentes voies de signalisation

Gs, sa liaison au GTP, activate l'Adenylate cyclase.

Gi, sa liaison au GTP, inhibe l'Adenylate cyclase.

Des effecteurs et récepteurs différents induisent les echanges de GDP des proteines G stimulatrices ou inhibitrices.

Quelquefois G qui est libéré lors de l'échange est un effecteur qui interagit et active d'autres protéines.

Small GTP-binding proteins include (roles indicated):

initiation & elongation factors (protein synthesis). Ras (growth factor signal cascades). Rab (vesicle targeting and fusion). ARF (forming vesicle coatomer coats). Ran (transport of proteins into & out of the nucleus). Rho (regulation of actin cytoskeleton)

All GTP-binding proteins differ in conformation depending on whether GDP or GTP is present at their nucleotide binding site.

Generally, GTP binding induces the active state.

& sont modifiés par des lipides (ancres lipidiques) qui les fixent à la surface interne de la membrane

Adenylate Cyclase (AC) est une protéine transmembranaire avec un domaine catalytique cytosolyque

AC

hormone signal outside GPCR plasma membrane

GTP GDP ATP cAMP + PPi

cytosol

GDP GTP

La SU de G fixe le GTP, et peut l'hydrolyser en GDP + Pi.

1-Non activé Gest lié au GDP et les SU forment le complexe hétérotrimérique.

AC

hormone signal outside GPCR plasma membrane

GTP GDP ATP cAMP + PPi

cytosol

GDP GTP

Le complexe G inhibe G.

2. La liaison de l'hormone au RCPG correspondant induit un changement conformationel extracellulaire qui ce propage à l'interface de fixation de la protéine G intracellulaire. Le site nucleotide-binding site devient plus accessible dans le cytoplasme ou [GTP] > [GDP]. G libére GDP & fixe GTP (GDP-GTP exchange).

AC

hormone signal outside GPCR plasma membrane

GTP GDP ATP cAMP + PPi

cytosol

GDP GTP

3. Substitution de GTP pour GDP provoque un autre changement conformationnel de G.

G-GTP est libéré du complexe inhibiteur et peut activer une enzyme permettant la formation d'un second messager.

AC

hormone signal outside GPCR plasma membrane

GTP GDP ATP cAMP + PPi

cytosol

GDP GTP

4. Adenylate Cyclase,activée par G-GTP, catalyse la synthèse d' AMPc.

5. Proteine Kinase A (cAMP Dependent Protein Kinase) catalyse la phosphorylationde nombreuses protéines et modifie leur activité.

AC

hormone signal outside GPCR plasma membrane

GTP GDP ATP cAMP + PPi

cytosol

GDP GTP

La toxine Cholérique catalyse le modification covalente of Gs.

• ADP-ribose est transfére du NAD+ to à une arginine présente dans le site actif GTPase de Gs.

• ADP-ribosylation empèche l'hydrolyse du GTP par Gs.

• La proteine G stimulatrice est en permance activée et stimule la sécétion ionique et d'eau.

La Pertussis toxine (coqueluche) catalyses l'ADP-ribosylation d'une cysteine Gi, elle devient incapable d'échanger le GDP pour le GTP

• La voie inhibitrice est bloquée donc l'adénylate cyclase est augmentée et inhibe les sécrétions bronchiques .

ADP-ribosylation est un mécanisme générale de régulation des protéines

CH2

HHOH OH

H HOOP

O

HHOH OH

H HOCH2

N

N

N

NH2

OP

O

O

N O

(CH2)3

NH

C NH2+

protein

NH

O

H

CNH2

O

CH2

H

N

HOH OH

H HOOP

O

HHOH OH

H HOCH2

N

N

N

NH2

OP

O

O

O

N O

H

CNH2

O

NH

+

+

(CH2)3

NH

C NH2+

protein

NH2

NAD+

nicotinamideArg

residue

ADP-ribosylated protein

(nicotinamideadeninedinucleotide)

ADP ribosylation

Les seconds messagers

Adenylate Cyclase (Adenylyl Cyclase) catalyse:  ATP cAMP + PPi

certaines hormones à la surface d'une cellule catalysent la formation d'AMPc intracellulaire

l'AMPc est considéré comme un second messager

N

N N

N

NH2

O

OHO

HH

H

H2C

HO

PO

O-

1'

3'

5' 4'

2'

cAMP

Phosphodiestérase catalyse

cAMP + H2O AMP

Les phosphodiesterases hydrolysent l'AMPc

Le second messager stimule sa propre dégradation permettant un arrêt du signal

N

N N

N

NH2

O

OHO

HH

H

H2C

HO

PO

O-

1'

3'

5' 4'

2'

cAMP

Protein Kinase A (cAMP-Dependent Protein Kinase) transfert Pi de l' ATP à une Ser or Thr

Protein Kinase A à l'état de repos est un complexe de • 2 SU catalytiques (C) • 2 SU régulatrices (R).

et forme une structure quaternaire R2C2

Chaque SU régulatrice contient une séquence pseudosubtrat qui mime le domaine substrat d'une proteine mais avec une Ala substituant Ser/Thr.

Ce pseudosubstrat de R qui ne peut etre phosphorylé est lié au site actif de la SU C et ainsi bloque son activité

R2C2 + 4 cAMP R2cAMP4 + 2 C

Quand R fixe 2 AMPc il y changement conformationnel et libération de la SU C

La SU peut ainsi catalyser la phosphorylation de Ser/Thr des protéines cibles.

PKIs, Protein Kinase Inhibitors, modulent l'activité de la SU catalytique .

Phosphatidylinositol Signal

O P

O

O

H2C

CH

H2C

OCR1

O O C

O

R2

OH

H

OH

H

H

OHH

OH

H

O

H OH

1 6

5

43

2

phosphatidyl-inositol

Kinases catalysent le transfert de Pi de l'ATP en position 4 et 5 de l'inositol pour former phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2).

PIP2 est hydrolysé par la Phospholipase C.

O P

O

O

H2C

CH

H2C

OCR1

O O C

O

R2

OH

H

OPO 32

H

H

OPO 32H

OH

H

O

H OH

1 6

5

43

2

PIP2 phosphatidylinositol- 4,5-bisphosphate

Quant un RCPG est activé il échange le GDP pour du GTP et le complexe Prot Gq GTP active la PLC

Ca++, est nécessaire à l'activité de la PLC

O P

O

O

H2C

CH

H2C

OCR1

O O C

O

R2

OH

H

OPO 32

H

H

OPO 32H

OH

H

O

H OH

1 6

5

43

2

PIP2 phosphatidylinositol- 4,5-bisphosphate

cleavage by Phospholipase C

Différentes formesde PLC ayant différents domaines de régulation peuvent etre impliquées

G-protein, Gq active une forme de PLC

Hydrolyse de PIP2, catalysée par Phospholipase C, produit 2 second messagers: inositol-1,4,5-trisphosphate (IP3) diacylglycerol (DG).

Diacylglycerol, avec Ca++, activent la Protein Kinase C, qui catalyse la phosphorylation de nombreuses protéines intracellulaires

O HH 2 C

C H

H 2 C

OCR 1

O O C

O

R 2

d iacylg lycero l

O H

H

O PO 32

H

H

O PO 32 H

O H

H

H O H

O PO 32

1 6

5

43

2

IP 3 in o sito l-1 ,4 ,5 -trisp h o sp h a te

IP3 active Ca++-release channels dans la membrane du réticulum.

Ca++ stocké est libéré dans le cytoplasme et aide à l'activation de la Proteine Kinase C.

Signal turn-off diminution du Ca++ du cytoplasme via les Ca++-ATPase pompes, & degradation de IP3.

Ca++

ATP ADP + Pi

Ca++

IP3

calmodulin

endoplasmic reticulum

Ca++

Ca++-ATPase

Ca++-release channel

≈ 2000 disques dans la membrane desquels

se trouve la rhodopsine

synthèse des molécules mises en jeu dans la vision

segment interne segment externe

Cellules photoréceptrices

pigments

pigments

membrane

membrane

bâtonnet cône

Les cellules photo-réceptrices sont situés dans le segment externeformés de disques empilés contenant la rhodopsine

rétinal

membrane

Rhodopsine = protéine (opsine) + chromophore (rétinal)

Récepteurs photoniquesRhodopsine

opsine + chromophore 11-cis-rétinal

rétinal

opsine

La rhodopsineprotéine qui transforme l’énergie lumineuse en signal électrique

Bactéries = production d’énergie

bactériorhodopsine

Vertébrés = vision

h

gradient de H+

synthèse de l’ATP

h

stimulation de la protéine G‘transducine’

Rhodopsine : récepteur visuel des bâtonnets

Opsine

chaîne de 348 acides aminés

formant 7 hélices trans- membranaires

extrémité extra cellulaire

extrémité intra-cellulaire

Protéine trans-membranaire

Récepteurs photoniques

Bâtonnets = rhodopsine

Rhodopsineopsine + chromophore 11-cis-rétinal

rétinal

opsine

Le chromophore est le rétinal

Aldéhyde de la vitamine A

lié par une base de Schiff à un groupement lysine de l’opsine

opsine

rétinal

RCHO H2N-(CH2)4-+ RCH=NH-(CH2)4-

opsinecis-rétinal

H+

rhodopsine

L’activation de la rhodopsine est due à la photo isomérisation du rétinal

rotation de 180° entre les carbones C11 et C12

forme repliée

temps de commutation ≈ picoseconde (10-12 s)

rhodopsineinactive

canaux ioniquesouverts (GMPc)

-40 mV

passage des cations= dépolarisation

GMPc

photo-isomérisation du rétinal

hydrolyse du GMPcfermeture des canaux ioniques

-80 mV

blocage des cations

hyperpolarisation

à l’obscurité à la lumière

Transformation du signal photonique en signal électrique

fermeture des canaux ioniques Na+

potentiel récepteur

La famille des protéines G hétérotrimériques comprend:

Transducine, impliquée dans la détection de la lumière par la rétine

G-proteins impliquées la transduction

Et une grande famille de petites protéines G analogues à G alpha

Structure tridimensionnelle à 2,8 Å de résolution, d'un cristal de rhodopsine. D'après Palczewski K., Kumasaka T., Hori T., Behnke CA., Motoshima H., Fox BA.,

Le Trong I., Teller DC., Okada T., Stenkamp RE., Yamamoto M., and Miyano M.

(2000) Science 289, 739-45.

Arrêt du signalRapide

Lent

Hydrolyse des seconds messagers

Turn off ou arrêt du:

1. G hydrolyse GTP to GDP + Pi. (GTPase).

La presence of GDP sur G permet la liaison avec le comlexe inhibiteur .

Adenylate Cyclase n'est plus activée

2. Phosphodiesterase catalyse l' hydrolyse de cAMP AMP.

O H

H

O H

H

H

O HH

O H

H

H O H

O H

O H

H

O PO 32

H

H

O PO 32 H

O H

H

H O H

O PO 32

(3 s teps)+ 3 P i

IP 3 inosito l

désensibilisation

La stimulation du récepteur apres stimulation del'adenylate cyclase permet le recrutement de GRK2 à la membrane elle phosphoryle le récepteur et recrute bg c ce complexe recrute la PDE qui hydrolyse l 'AMPc et augmente la désensibilisation

Désensibilisation

Organisation structurale des arrestines.

Désensibilisation et pistes thérapeutiques

Arrêt du signal :

La desensibilisation intervient .

Certains récepteur sont phosphorylés via des kinases spécifiques .

Le récepteur phosphorylé peut être lié à une protéine la -arrestine, qui permet l'internalisation du récepteur par un processus d'endocytose clathrine dependant

Proteines Phosphatases catalyse hydrolyse les phosphates associées par la PKA

Endocytose clathrine dépendante

83

Fig 13-6

• Puits et vésicules recouverts de clathrine

84

Clathrine• Une sous-unité de clathrine =

– 3 grosses chaînes +– 3 petites chaînes

• Une sous-unité = un triskélion• Assemblage des triskélions en un panier

d'hexagones et pentagones• Triskélions peuvent s'assembler

spontanément en panier meme sans membrane

Clathrine

86

Fig 13-7

• Manteau de clathrine(C) Cryo-électro-microphotographie

(B) Deux triskélionschaînes lourdes en gris ou rouge

chaînes légères en jaune

(A) Ombrage au platine

87

Adaptine

• Protéine de manteau à clathrine• Complexe multiprotéique• Lie la clathrine à la membrane• Piège les protéines transmembranaires dont les récepteurs qui

capturent les cargos solubles• Au moins 4 types d'adaptine pour les différents récepteurs de

cargo

88

Fig 13-8

• Assemblage et désassemblage d'un manteau de clathrine– Les adaptines se lient à la clathrine et au complexe

cargo/cargo-r– Dynamine = GTPase

89

Fig 13-9

Rôle de la dynaminePuits à clathrine dans les

cellules nerveuses de drosophiles shibire ayant

une mutation du gène de la dynamine entraînant une

paralysie. Anneau correspondant à la

dynamine mutée

90

Perte du manteau

• La vésicule quitte la membrane• Le manteau de clathrine est perdu

immédiatement– intervention de chaperonne de la famille des

hsp70 (ATPase)– auxilline active l'ATPase

• La vésicule doit attendre d'être constituée pour que le manteau se retire

91

Spécificité du manteau

• Mécanismes généraux identiques• Mais chaque membrane a ses

spécificités– membrane plasmique (riche en cholestérol)

: nécessité de beaucoup d'énergie– autres membranes : existence de

bourgeonnements

Si le modèle 1 est correct, l’activation va conduire à la formation de nouvelles zones ponctuelles qui vont apparaître colorées en vert (dans le cas où elles ne contiennent que la b-arrestine 2-GFP) ou en jaune (en cas de colocalisation avec RFP-Eps-15) dans une image superposée. Si le modèle 2 est juste, on s’attend à ce que la b-arrestine 2-GFP s’accumule en totalité dans les puits recouverts préexistants, dont la coloration apparente va passer du rouge au jaune après superposition

Vrai si EPS15 marque de facon stable l'endocytose constitutive

Deux modèles 1-RCPG produisent leurs vésicules

2-RCPG colocalisent avecdes vésicules préxistants