Mécanismes moléculaires de la transduction des signauxLe métabolisme de l’information

1ère partie

Pr Hélène CavéDépartement de Génétique, Hôpital Robert Debré

FACULTE DE MEDECINE

L2 - UE1Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies

Hormones

Lumière

Aromes

Odeurs

METABOLISME DE L’INFORMATION

LA CELLULE REPOND A DES SIGNAUX SPECIFIQUES DE SON ENVIRONNEMENT

Facteurs de croissance

Neuromédiateurs

Matrice extra-cellulaire

CytokinesIons

� Nombre réduit de processus fondamentaux � Phosphorylation des molécules cibles� Interaction entre les différentes voies� Importance en physiologie ���� importance en pathologie

TRANSMISSION D’INFORMATION A LA CELLULE

Milieu extracellulaire

Cytosol

Interaction récepteur/protéines

cytoplasmiques

Passage du ligand dans le cytoplasme

PASSAGE DE LIGAND TRANSDUCTION DU SIGNAL

Milieu extracellulaire

Cytosol

Dissociation de la protéine G et action sur ses cibles

ACTIVATION D’UNE KINASE

PHOSPHORYLATION DU RECEPTEUR

ACTIVATION D’UNE PROTEINE G

P P

ααααββββγγγγ

ββββγγγγαααα

TRANSDUCTION DU SIGNAL

Fonction tyrosine kinase activéeSites d’ancrage

Dissociation de la protéine G et action sur ses cibles

ACTIVATION D’UNE KINASE

PHOSPHORYLATION DU RECEPTEUR

ACTIVATION D’UNE PROTEINE G

P P

RECEPTEURS A 7 DOMAINES TRANSMEMBRANAIRES

ααααββββγγγγ

ββββγγγγαααα

Fonction tyrosine kinase activéeSites d’ancrage

Lumière(Photons)

(rhodopsinedes batonnets)

IonsCa++

Stimuli sensoriels(molécules olfactives,

gustatives, phéromones)

Petites molécules endogènes- acides aminés

(acide glutamique et γ-amino-butyrique) - amines (acétylcholine, adrénaline, noradrénaline, dopamine, histamine, mélatonine, sérotonine) - nucléosides(adénosine) et nucléotides (ADP, ATP, UTP) - lipides(anandamide, leucotriènes, Platelet Activating Factor, prostaglandines, thromboxane A2)

Protéines- hormones(glucagon, thyrotropine TSH, lutropine LH, follitropine FSH, choriogonadotropine HCG) - protéases(thrombine)

LES PROTEINES G TRANSDUISENT LE SIGNAL D’UN GRAND NOMBRE DE RECEPTEURS

ββββγγγγ

RECEPTEURS A 7 DOMAINES TRANS-MEMBRANAIRES

αααα

COMMUTATEURS MOLECULAIRESCOMMUTATEURS MOLECULAIRES

PROTEINES FIXANT LE GTPPROTEINES FIXANT LE GTP

GEFGuanosyl exchange

factor

GAPGTPase activating

protein

Protéine—GTP (active)

Protéine—GDP (inactive)

CYCLE DES PROTEINES G

Au repos

Activation du récepteur par un agoniste (ligand)

GTP GDP

ββββγγγγ

Activation des protéines G par le complexe récepteur/ligand

Effecteurααααββββ γγγγ

GTP

Régulation de l’activitéd’effecteurs

P

Activité GTPaseintrinsèque

ααααββββ

γγγγ

GDP

αααα

LES PROTEINES G ACTIVENT OU INHIBENT LEUR CIBLENombreuses Nombreuses isoformesisoformes de chacune des sousde chacune des sous--unitunitééss

ααααββββγγγγ

Gααααs/Gααααi Gααααq Gααααo

Adénylatecyclase Phospholipase C Canaux Ca++

Canaux K+

ATP AMPc(PKA)

PIP2 IP3 (Ca++) DAG (PKC)

GααααtTransducine

[+] [-]

photons

Amines ββββ-adrénergiquesHormones parathyroïdiennes

GlucagonAcétylcholineAmines αααα-adrénergiquesNeuromédiateurs

AcétylcholineAmines αααα-adrénergiquesNeuromédiateursvasopressine

GMPcPhosphodiestérase

GMPc GMP

PHOSPHORYLATIONS ET DEPHOSPHORYLATIONS

Changement de conformation

Site de fixation pour d’autres protéinesEx : protéines 14-3-3 fixent RXXX[pS/pT]XP→ Rétention dans le cytosol

(pas d’entrée dans le noyau)Régulent 30% des protéines� 520 Protéines Kinases� 150 Phosphatases

1-2% du génome humain

Protéine—OH + ATP ���� Protéine— + ADP

Protéine kinase

Protéine phosphatase

Tyrosine (Tyr,Y)

SECOND MESSAGERSSECOND MESSAGERS

Nucléotides Lipides Ionsmodifiés membranaires

Dérivés de phospholipides

� Variations de concentration

EFFECTEUR : ADENYLATE CYCLASEEFFECTEUR : ADENYLATE CYCLASE

Adenylate cyclaseGααααs

PPi

ATP AMPc

EFFECTEUR : ADENYLATE CYCLASEEFFECTEUR : ADENYLATE CYCLASE

L’AMPc ACTIVE LES PROTEINES KINASE A (PKA)

rréégulatricegulatrice

catalytiquecatalytiquerréégulatricegulatrice

catalytiquecatalytique

Peptide pseudo-substrat RRXA inhibiteur des sous-unités catalytiques

(A non phosphorylable)

Changement de conformation

AMPc

rréégulatricegulatrice

catalytiquecatalytique

rréégulatricegulatrice

catalytiquecatalytique

AMPc

AMPcAMPc

AMPc

Protéine Protéine- P

Protéine- P Protéine

Plusieurs isoformes de chacune des sous-unités(Cαααα, Cββββ, Cγγγγ, RIαααα, RIββββ, RIIαααα, RIIββββ)

Noyau

CRE

(cAMP Response Element)

CREB

P

LES PKA MODULENT L’ACTIVITE DE PROTEINESCYTOPLASMIQUES ET NUCLEAIRES

CREB

catalytiquecatalytique

catalytiquecatalytique

Cytoplasme

Action sur la transcription des gènes

�� TranscriptionTranscription

�� MMéétabolismetabolisme

�� ApoptoseApoptose

�� Cycle cellulaireCycle cellulaire

Protéine

P

Protéine

LE NIVEAU DE 2ND MESSAGER EST LA RESULTANTE D’UN EQUILIBRE

ExempleExemple de de ll’’AMPcAMPcGααααS

GlucagonAminesβ adrénergiques

Gααααi

AcetylcholineAmines α adrénergiques

REPONSE CELLULAIRE

PKA(inactive)

PKA(active)

5’-AMPPhosphodiesterase

Protéine—OH

Protéine—PActivation/Inhibition

Gααααs Gααααi

RsRs RiRi

GγβγβγβγβGββββ

GγβγβγβγβGββββ

���� Adenylate cyclase -

Activités enzymatiquesExpression des gènesExcitabilité membranaire

AMPcATP

LES PROTEINES G ACTIVENT OU INHIBENT LEUR CIBLENombreuses Nombreuses isoformesisoformes de chacune des sousde chacune des sous--unitunitééss

ααααββββγγγγ

Gααααs/Gααααi Gααααq Gααααo

Adénylatecyclase Phospholipase C Canaux Ca++

Canaux K+

ATP AMPc(PKA)

PIP2 IP3 (Ca++) DAG (PKC)

GααααtTransducine

[+] [-]

photons

Amines ββββ-adrénergiquesHormones parathyroïdiennes

GlucagonAcétylcholineAmines αααα-adrénergiquesNeuromédiateurs

AcétylcholineAmines αααα-adrénergiquesNeuromédiateursvasopressine

GMPcPhosphodiestérase

GMPc GMP

LES PHOSPHOINOSITIDESLES PHOSPHOINOSITIDES

� Inositol� Glycerol� 2 AG

7 différents types selon le profil de phosphorylation

Phosphatidyl-inositol phosphate inositol phosphate

EFFECTEUR : PHOSPHOLIPASE CVOIE DES PHOSPHOINOSITIDES

WWW.rpi.edu

Clivage par laPhospholipase C

Diacylglycérol Ca++

DAG

C1A C1B

C2

Fixation du pseudo-substratau site actif

Protéine kinase C (PKC)inactive en solution

Pseudo substrat C1A C1B C2 Protéine kinase

LE DIACYLGLYCEROL ACTIVE LA PROTEINE KINASE C

C1A C1B

C2

L’INOSITOL TRI-PHOSPHATE (IP3) PROVOQUE LA LIBERATION DE Ca++ INTRACELLULAIRE

Ca++

pompe

(10-6 M)

CAM-kinases

ProtéineP

Protéine

Ca++

Ca++ Calmoduline

Ca++

Ca++

(10-6 M Ca++)

Ca++ ReticulumEndoplasmique

SIGNAL CALCIUMSIGNAL CALCIUM

Ca++

http://helix-web.stanford.edu/people/mliang/research.html

� Récepteurs 7TM : Cascade des phosphoinositides� Récepteurs pompes/canaux ioniques

[Ca++] extra-cellulaire (sang) 2.5 mM (2,5.10-3)intra-cellulaire (basal) 100 nM (1.10-7)

Différentiel 5.104

1-10 µM (10-6)Ouverture canaux calciques

L’INOSITOL TRI-PHOSPHATE (IP3) PROVOQUE LA LIBERATION DE Ca++ INTRACELLULAIRE

Ca++

pompe

CAM-kinases

ProtéineP

Protéine

Ca++

Ca++ Calmoduline

Ca++

Ca++

(10-6 M Ca++)

Ca++

LES RECEPTEURS A 7 DOMAINES TRANSMEMBRANAIRESLES RECEPTEURS A 7 DOMAINES TRANSMEMBRANAIRES

VoiesVoies relayantrelayant le signal : le signal : effecteurseffecteurs des des proteinesproteines GG

Calmoduline

CAM-kinases

Ca++ Ca++

Ca++Ca++

ou

Activée ou inhibée

RécepteurLigand

PIP2

Gααααs/i

AC

AMPc

ATPGααααq

PLCDAG

PKC

IP3

IP4

Ca++

PKA

RE

Protéine Protéine

Protéine

Protéine

P

P

Protéine

P

Protéine

Ny

CRE

(cAMP response element)

CREB

P

PKA

Shéma récapitulatif …

1. Niveau ligand

• Dissociation récepteur/ligand• Dégradation extra-cellulaire du ligand (acétylcholinesterase)

• Recaptage du ligand (terminaisons pre-synaptiques /neurotransmetteurs)

Inhibiteurs : Cocaïne / recaptage dopamine, noradrénalineAntidépresseurs / recaptage sérotonine

2. Niveau récepteur • Désensibilisation • Diminution de synthèse (transcription) – (>1h)

3. Niveau post-recepteur

• Activité GTPase des protéines G• Catabolisme des 2nd messagers (phosphodiesterase/AMPc)

EXTINCTION DU SIGNAL - RECEPTEURS A 7TM

Les réponses cellulaires à de nombreuses hormones ou neurotransmetteurs sont en général de courte durée (secondes à quelques minutes)

αααα

ββ--ARRESTINEARRESTINE

P P P

GRKGRK

SIGNAL

X

DECOUPLAGE

ββββγγγγ

1. Découplage fonctionnel par phosphorylation (désensibilisation)

DESENSIBILISATION DES RECEPTEURS A 7TM

GRK: Kinase des récepteurs associés aux protéines G (G-protein-coupled-receptor kinase)

ββ--ARRESTINEARRESTINE

P P P

ENDOCYTOSEDépendante de la clathrine

RECYCLAGE

ββββγγγγ

αααα

ClathrineDEGRADATION

Lysosome

Endosome

2. Internalisation ligand/récepteur (recyclage ou dégradation)

DESENSIBILISATION DES RECEPTEURS A 7TM

ACGs GTPGs GDP

Pi X

ATP

AMPc + PPi

ACGs GTP NAD

nicotinamide

Toxine cholérique

ADPribose

Ouverture canal Cl-

LE CHOLERALE CHOLERA