La Signalisation intracellulaire Comment les cellules communiquentelles Cellule

La Signalisation intracellulaire

Comment les cellules communiquent-elles ? Cellule sécrétrice Molécule de signalisation Cellule cible Récepteur

Les différents types de récepteurs • Les récepteurs membranaires Récepteur membranaire de surface Molécule de signalisation hydrophile • Les récepteurs intracellulaires Molécule de signalisation hydrophobe Protéines de transport 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 • Les récepteurs couplées aux protéines G protéine G enzyme Enzyme activée • Les récepteurs avec une activité enzymatique Domaine catalytique inactif Domaine 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 : CD 45 • Activité guanylate cyclase Ex : Récepteur à l’ANF (Atrial Natriuretic factor)

Quelles sont les étapes de la signalisation ? Molécule de signalisation extracellulaire Récepteur membranaire Protéines de signalisation intracellulaires Protéines du cytoplasme Modification du métabolisme, de la structure cellulaire Protéines cibles Facteur de transcription Modification de l’expression des gènes

Réponse de la cellule et cycle cellulaire Mitogènes Signaux de mort Agent de différenciation G 2 S M G 1 Différenciation Prolifération G 2 M G 1 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) Insulin Growth factor (IGF 1 et 2) Nerve Growth factor (NGF) Récepteur à l’EGF (EGFR) Récepteur à l’IGF 1 (IGF 1 R) Récepteur au NGF (NGFR) Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires 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 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) KINASE (ajout d’un groupement phosphate) PHOSPATASE (élimination d’un groupement phosphate) Activateur phosphorylé (actif) 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 • Phosphorylation de tyrosines du domaine porteur de l’activité kinase Contrôle de l’activité kinase du récepteur P P P • Phosphorylation de tyrosines dans des zones non catalytiques Sites de liaison des domaines SH 2 (Sarc homology 2) ou PTB (phosphotyrosine binding) présents au sein de nombreuses protéines

Interaction tyrosine phosphorylée / domaine SH 2 Jaune : récepteur avec la tyrosine phosphorylée (groupement phosphate en rouge) Blanc: domaine SH 2 Le phosphate est chargé négativement. Il vient s’insérer dans la poche positive du domaine SH 2

Activation des voies de signalisation Induction de la cascade d’activation intracellulaire P P P Recrutement de médiateur à la membrane via une interaction domaine SH 2/tyrosine phosphorylée

Les grandes voies de signalisation induites PDGF Voie des MAP kinases (mitogenactivated protein kinase) P P P Voie de la PI 3 kinase/Akt Activation des facteurs de transcription et expression des gènes Prolifération

La voie de la PI 3 -kinase/Akt La protéine PI 3 -kinase (phosphatidylinositol 3 -kinase) est constitué de deux sous-unités : • une sous-unité régulatrice, p 85: elle contient deux domaines SH 2 • une sous-unité catalytique p 110 PDGF La PI 3 kinase est recrutée au niveau du récepteur via les domaines SH 2 qui constituent sa sous unité régulatrice P P PI 3 K P p 85 p 110

L’activation de la PI 3 -kinase L’association de la PI 3 kinase aux tyrosines phosphorylées du récepteur induit une modification conformationnelle de la protéine Activation de la sousunité catalytique de la PI 3 -kinase

La PI 3 -kinase phosphoryle les lipides membranaires Les lipides membranaires ainsi phosphorylés jouent le rôle de 2 nd 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 phosphoinositidedependent kinase, la PDK 1 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 PDK 1

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 GSK 3 b Akt Actif Cycline D GSK 3 b P Inactif P Cycline D Ubiquitination et dégradation de la protéine Akt inhibe la phosphorylation de la cycline D en inhibant la kinase GSK 3 b (Glycogen synthase kinase). Il bloque ainsi la dégradation de la cycline D

Akt active le facteur de transcription NF-k. B I-k. B NF-k. B Akt I-k. B est un inhibiteur du facteur de transcription NF-k. B Le facteur de transcription reste dans le cytoplasme Phosphorylation de I-k. B Dégradation de I-k. B Libération de NF-k. B migre dans le noyau et induit l’activation des gènes

Rétrocontrôle de la voie PI 3 -Kinase/Akt PI(4, 5)P 2 PI(3, 4, 5)P 3 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 PI 3 -kinase/Akt et cancers Dans des conditions normales :

La voie PI 3 -kinase/Akt et cancers Dans les gliomes (tumeurs cérébrales), PTEN est inactivé PTEN est un gène suppresseur de tumeur

Résumé PDGF Voie de la PI 3 kinase/Akt Voie des MAP kinases P P P Active le facteur NF-k. B Prolifération Augmente la quantité de cycline D

La voie des MAPK (Mitogen Activated protein kinase) Chez les Mammifères, la voie des MAPK se divisent en 4 sous-familles: • la voie Erk 1/2 (extracellular signal-regulated kinase) • la voie Jnk (Jun kinase) • la voie p 38 • la voie Erk 5 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 Facteur de croissance Activateur Ras Rac MKKK Raf MEKK 1 MKK 4 MAPK Erk 1/2 Jnk Substrat Elk 1 c-jun

La voie Erk 1/2 Interaction avec les Ptyr du récepteur PDGF Domaine SH 2 PI 3 K P p 110 p 85 P P P Domaine SH 3 Grb 2 sos Interaction avec la région riche en proline de Sos Grb 2 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 ras GDP Grb 2 sos Inactif GTP Actif Sos est un facteur d’échange de nucléotides guanine (GEF) qui permet l’activation de ras

Activation de Raf par Ras Inactif L’association de ras avec Raf modifie l’interaction entre Raf et les protéines 14 -3 -3 du cytoplasme Raf adopte une conformation active actif

La Famille des Protéines GTPases Ras Rho Rab H-Ras N-Ras K-Ras Rho. A Rho. B Rho. C Rab 1 -N TC 21 Rho. G Rho. E Rap 1 Rap 2 R-Ras Ral. A Ral. B Prolifération Différenciation Arf Ran Arf 1 -6 Ran Transport Nucléaire CDC 42 . Ras est le Membre Fondateur d’une Famille de plus de 70 GTPases Rac 1 Rac 2 . Très conservée: les 164 acides aminés du ras humain et poulet ne diffèrent qu’à deux positions Cytosquelette Migration . La Conservation Témoigne de Fonctions Essentielles à la Cellule.

Activation de Erk 1/2 Raf => MKK 1 (Map kinase) Mise en place d’un cascade de phosphorylation par des protéines sérine/thréonine kinases Raf actif MKK 1 inactif MKK 1 actif Erk 1/2 inactif P Erk 1/2 actif P Migration dans le noyau de la cellule

Erk 1/2 induit l’expression de c-fos Erk 1/2 P noyau Erk 1/2 P Elk 1 Facteur de transcription inactif Elk 1 P ++ Gène c-fos Expression de c-fos

La voie des Jnk Facteur de croissance Ras Rac Raf MEKK 1 • Rac comme Ras est une petite GTPase Rac MKK 1 MKK 4 Erk 1/2 Jnk Elk 1 c-jun Rac GDP Inactif GTP Actif

La voie des Jnk c-Jun N-terminal kinases MEKK 1 Inactif Rac MEKK 1 actif MKK 4 inactif MKK 4 actif Jnk inactif P Jnk actif P Migration dans le noyau de la cellule

Comment se fait l’activation de Rac ? Rac Inactif GDP Vav, Sos Rac GTP actif 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 PI 3 -K PIP 3 Vav Domaine PH Activation de Vav La voie des MAPK et la voie de la PI 3 -K sont interdépendantes

Comment se fait l’activation de ces GEF ? • La phosphorylation de Sos contrôle les interactions avec ces partenaires protéiques P sos Grb 2 sos P E 3 b 1 sos Eps 8 Sos a une activité Ras-GEF activé Activation de Ras et de la voie Erk 1/2 Sos a une activité Rac-GEF activé Activation de Rac et de la voie Jnk

La voie de Jnk : récapitulatif Activation de la PI 3 -K Vav s’associe aux lipides phosphorylés Activation de Vav Activation de Rac P P P Activation de l’activité Rac-GEF de Sos s’associe à E 3 b 1 et Eps 8 Activation de la voie Erk 1/2 phosphoryle Sos et bloque son association avec Grb 2 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 AP 1 (adaptor-related protein complex 1) Le facteur de transcription AP 1: Erk 1/2 P c-fos c-jun P Jnk cytoplasme noyau Erk 1/2 P Jnk Induction de l’expression Phosphorylation de c-jun P c-fos c-jun Activation du facteur de transcription AP 1

AP 1 active l ’expression du gène de la cycline D Gène cycline D P c-fos c-jun Gène cycline D Cycline D Cycline D Activation du cycle cellulaire

Résumé PDGF Voie des MAPKs Active Jnk Active Erk 1/2 Phosphoryle c -jun Induit c -fos Active le facteur AP 1 Induit l’expression de la cycline D Voie de la PI 3 kinase/Akt P P P Active le facteur NF-k. B Prolifération Augmente la quantité de cycline D

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 Ras est un ONCOGENE Prolifération

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 Jak Jak Jak P Les protéines kinases Jak Dimérisation du (Janus kinase) sont récepteur et acivation constitutivement associées des protéines Jak aux récepteurs P Dimérisation du récepteur et acivation des protéines Jak

L ’activation des facteurs STAT 3 signal transducer and activator of transcription (STAT) IL-6 Jak P P Stat 3 Domaine SH 2 Les facteurs de transcription Stat 3 sont recrutés au niveau du promoteur via leur domaine SH 2 Jak P P Stat 3 P Les protéines kinases Jak phosphorylent les facteurs Stat 3 sur un résidu tyrosine

L ’activation des facteurs STAT 3 IL-6 Dimérisation des protéines Stat 3 Jak P P Stat 3 noyau Translocation nucléaire Stat 3 P P Stat 3

Les facteurs STAT 3 activent l’expression des gènes Gène cible Stat 3 P P Stat 3 ++ Parmi les gènes cibles de Stat 3 se trouvent de nombreux gènes impliqués dans la régulation du cycle cellulaire

La voie Jak/Stat et Cancer Le facteur de transcription Stat 3 est constituvement actif dans de nombreux cancers Les cellules forment des colonies en milieu agar c. DNA Stat 3 cis Fibroblaste de souris Transfection Les cellules induisent la formation de tumeurs dans des souris nude Les facteurs de transcription STAT 3 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 : CD 45 • Activité guanylate cyclase Ex : Récepteur à l’ANF (Atrial Natriuretic factor)

Le récepteur au TGFb : Transforming growth factor b Le récepteur au TGFb est constitué de deux sous unités différentes Tb. R-II Tb. R-II Domaine intracellulaire à activité kinase + + Autophosphorylation - + + - Phosphorylation de l’autre sous-unité Phosphorylation des Smad

L’activation du récepteur au TGFb P Tb. R-II Tb. R-I Le TGFb induit un rapprochement des chaines réceptrices Activation de l’activité kinase de Tb. R-II Phosphorylation et activation de l’activité kinase de Tb. R-I

L’activation des facteurs de transcription Smad P P Smad 2/3 Translocation nucléaire Smad 2/3 Smad 4 Hétéro dimérisation P Activation de la transcription Smad 2/3 Smad 4 P Smad 2/3 Smad 4 ++