cours master BC commun

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


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


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


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


Cellule cible Cellule de transmission

Molécule informative Récepteur

Par l’intermédiaire de molécules sécrétées


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.

http://www.jeanpierrevarlenge.com/une-vie-science-conscience/chimies/episode-xxi-chimie-du-cerveau-2-les-neurotransmetteurs-messagers-chimiques/

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


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


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


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


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


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


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


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


TGFβR

Vue d’ensemble de la communication cellulaire (2) : les récepteurs et les voies de signalisation

Cellules

MEC Integrins

Fact Crois TGFαc


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


7-TMR

Hormones Lipophiles

Fact survie IGFα

RTK

Ions

Canal

Médicaments

Pgpc

Fact mort FasL

Fas

Cytosol

Membrane


TGFβR

Vue d’ensemble de la communication cellulaire (3) : les cibles


gènes


cellulaire

Mitochondrie

Noyau

ER Golgi

Endosomes Lysosomes

Cellules E-cadhrins

MEC Integrins



7-TMR

Hormones Lipophiles

Fact survie IGFα

RTK

Ions

Canal

Médicaments

Pgpc

Fact mort FasL

Fas

Cytosol

Membrane


TGFβR


gènes


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



7-TMR

Hormones Lipophiles

Fact survie IGFα

RTK

Ions

Canal

Médicaments

Pgpc

Fact mort FasL

Fas

Cytosol

Membrane


TGFβR Modification de l’expression des

gènes


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

Documents

cours master BC commun