Contrôle extracellulaire du cycle cellulaire : les facteurs de croissance

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1 11/02/2014 LETOUCHE Marie-Lou L2 BMCP Pr. A. AUTILLO TOUATI 12 pages Relecteur n 3 BMCP Contrôle extracellulaire du cycle cellulaire : les facteurs de croissance Contrôle extracellulaire du cycle cellulaire : les facteurs de croissance Plan : A. Introduction - Définition B. Exemple : le PDGF signal C. Les mitogènes activent plusieurs voies de signalisation D. Les cyclines D La prof n'a mis aucune diapo sur l'ent alors j'ai fait ce que j'ai pu avec les photos plus ou moins nettes que j'avais!! Donc désolée pour toutes images pas très lisibles, mais j'ai refait les 4 schémas récapitulatifs les plus importants pour qu'ils soient bien lisibles! J'ai mis sous les images importantes des explications qui permettent de mieux comprendre le flou, et j'ai précisé si l'image était pas vraiment importante, pour que vous vous focalisez pas dessus! 1/12

2 A. Introduction - Définition BMCP Contrôle extracellulaire du cycle cellulaire : les facteurs de croissance Les facteurs de croissance sont le plus souvent multifonctionnels : certains peuvent induire la division / prolifération cellulaire, ils sont dits mitogènes, d'autres agissent sur la croissance cellulaire, et d'autres encore permettent la survie cellulaire. Ils sont tous regroupés sous le terme général de facteurs de croissance. (Un seul facteur de croissance peut cependant appartenir à plusieurs des sous-catégories précédentes.) Leurs caractéristiques communes c'est qu'ils sont produits en petite quantité et qu'ils agissent tous via des récepteurs spécifiques sur des cellules cibles. B. Exemple : le PDGF signal C'est un facteur de croissance multifonctionnel et de spécificité large (il peut agir au niveau de types cellulaires très différents). Mise en éviden ce : Dans un milieu de culture, on dispose des fibroblastes et du sérum : les cellules vont proliférer. Si on enlève le sérum, il n'y aura plus aucune prolifération cellulaire et les cellules meurent. On constate aussi que les cellules cancéreuses ont la capacité de proliférer sans sérum. On en déduit donc que le sérum est nécessaire à la prolifération. Qu'est ce qui, dans le sérum, permet la prolifération? On met en culture des fibroblastes et du plasma : on observe la mort cellulaire des cellules en culture. Donc le facteur qui permet la survie et la prolifération des cellules se trouve dans la partie cellulaire du sérum (hors plasma). Ce facteur de croissance, le PDGF est produit par les plaquettes sanguines. On a montré par la suite qu'il était aussi présent dans les macrophages, les cellules musculaires lisses et les cellules endothéliales. Il a un rôle important dans la cicatrisation en réponse à une lésion épidermique. C'est un puissant mitogène des fibroblastes, mais aussi des cellules musculaires lisses et des cellules gliales. Ce facteur agit sur la prolifération de différents types cellulaires : il a une spécificité large. Plus tardivement, on a montré que le PDGF était formé de 2 chaines α et β. Il agit via des récepteurs spécifiques à activité tyrosine-kinase. Les études sur des souris K.O. montrent que les récepteurs α et β pour le PDGF sont très importants pour le développement puisque si on inactive les récepteurs chez des animaux : PDGFR β -/- : mort à la naissance Développement anormal des reins et désordres hématologiques (anémie) PDGFR α -/- : mort au stade embryonnaire Défaut de développement de la crête neurale (migration), de la formation des vertèbres et apoptose importante. Ainsi le PDGF est impliqué dans l'apoptose (survie) et la différenciation cellulaire. Ces récepteurs sont extrêmement importants, ce qui n'est pas le cas de PDGF en lui même car il y a une multiplicité des facteurs de croissance et on peut donc avoir une suppléance. Ce récepteur est impliqué dans l'athérosclérose et le cancer. 2/12

3 Expérience : Mécanisme extrêmement important l'inhibition de contact. Mise en culture de fibroblastes et formation d'une strie dans le milieu de culture. En présence de PDGF, les cellules vont proliférer de façon à reformer un mono-couche. C'est-à-dire que les cellules ont reçu, a un moment donné, un signal pour proliférer et que lorsqu'elles ont recouvert la totalité du fond de la boite elles reçoivent un signal inhibiteur de prolifération. (la prof a insisté sur le fait qu'il existait un signal inhibiteur de la prolifération.) Si la prolifération continue, on va avoir l'équivalent d'une tumeur, les cellules cancéreuses n'obéissent pas à ce signal négatif de prolifération. C'est d'ailleurs un des signes permettant de reconnaitre des cellules cancéreuses. Le texte n'est pas important car c'est les explications de la prof que je donne avant le schéma qui font foi! J'ai mis l'image pour que vous visualisiez l'expérience dans le milieu de culture. C'est ce qui se passe lorsqu'on a une plaie : le PDGF permet la cicatrisation du derme puisqu'il va agir via les récepteurs α et β. Pour la cicatrisation de la peau il va falloir l'intervention du PDGF puis d'un autre facteur qui va permettre la prolifération des cellules de l'épiderme, l'egf. Pour reconstituer le tissu à l'identique, il va donc y avoir coopération de plusieurs facteurs de croissance pour maintenir l'organe en état. Il y a une multiplicité de facteurs de croissance et leur mode de libération obéit à un mode de libération endocrine, paracrine, autocrine et il existe aussi le mécanisme de crinopexie (le facteur de croissance est séquestré dans la matrice extracellulaire par des protéoglycannes. Les protéoglycannes vont être dégradés ce qui va permettre de libérer les facteurs de croissance, ce qui permet un biodisponibilité des facteurs de croissance très rapide qui ne passe pas par une régulation transcriptionnelle). 3/12

4 Tous ces récepteurs sont donnés à titre indicatif, il ne faut pas les apprendre. Tous ces récepteurs on une caractéristique commune : ils possèdent tous un domaine tyrosine-kinase capable de phosphoryler les protéines cibles. le NFG, facteur de croissance du nerf. (découvert par Rita Levis-Montalcini) C'est un signal multifonctionnel (prolifération, survie, différentiation), mais il est de spécificité étroite (puisque son effet ne s'exerce que sur une catégorie particulière de neurone) et constitue une famille de facteur de croissance appelée la famille du NGF. l'egf, facteur de croissance de l'épiderme. (découvert par Stanley Cohen) Il possède un signal multifonctionnel, il est de spécificité large et constitue une autre famille de facteur de croissance appelée la famille de l'egf. Découverte du NGF : Pendant la seconde guerre mondiale. C'est en étudiant la taille des ganglions thoraciques de poulet qu'on a pu le mettre en évidence. On constate que les ganglions qui innervent l'aile sont plus gros que ceux qui innervent le reste du thorax. Pourquoi?! Hypothèse : Le territoire cible regroupe plus de neurones sensoriels. Expérience : Si on élimine l'aile 2 à 3 jours après la naissance : les ganglions sensoriels qui l'innervaient ont la même taille que ceux du reste du thorax. Donc on a quelque chose produit par l'aile qui induit l'augmentation de taille des ganglions sensoriels. Si on greffe une aile supplémentaire : les ganglions sont encore plus gros que les ganglions sensoriels de départ. On en déduit que l'aile, c'est-à-dire le territoire cible de ces ganglions, produisait un facteur qui était capable d'induire la prolifération des neurones sensoriels et qui, lorsqu'il était absent induisait la mort cellulaire. 4/12

5 Il a fallu énormément de temps et d'années pour caractériser ce facteur de croissance et pour montrer qu'il n'agissait que sur une catégorie de neurones sensoriels, via des récepteurs spécifiques. Sur ce schéma, il faut juste regarder le nombre de fibres nerveuses, pour quantifier la taille du ganglion correspondant. La première image est la référence, la seconde montre l'expérience où on coupe l'aile et la dernière celle où on greffe une aile supplémentaire. - NGF facteur de croissance nerveux et survie : La boite de culture a été divisée en 3 parties. Expérience 1 : On met les neurones dans la chambre centrale avec le NGF. En présence de NGF, les neurones sympathiques et les neurones sensoriels ne dépassent pas la chambre 2 où il y a le NGF. Expérience 2 : On ajoute du NGF à la chambre 3. Les neurones poussent sur la cloison qui sépare la chambre 2 de la chambre 3 mais ne vont jamais dans la chambre 1 car celle ci ne possède pas de NGF. Ceci démontre qu'il faut du NGF pour que les neurones (cette catégorie) survivent en culture et pour qu'ils se différencient (prolongements). Expérience 3 : On élimine le NFG de la chambre 2. Il y a survie des neurones qui ont un prolongement dans la chambre 3 qui contient du NGF. Expérience 4 : Il n'y a pas de NGF dans chambre 3. Les prolongements vont se cantonner dans la chambre 3 et se rétractent. Ce qui montre bien que le NGF est à la fois un facteur de prolifération mais aussi un facteur de survie et de différentiation d'une catégorie particulière de neurones. 5/12

6 Désolée, le schéma est assez (carrément!!) dégueulasse, mais ce qu'il faut voir pour illustrer ce qui est noté plus haut c'est que les points gris correspondent à la mise en culture du NGF et que les chambres blanches ne présentent pas de NGF. Donc on voit bien qu'en présence de NGF on a croissance, survie et prolifération des cellules et qu'en sont absence, il y a mort cellulaire. C'est une découverte fortuite qui a permis son identification, sa caractérisation et sa synthèse. En effet, on a découvert que dans les glandes salivaires des rats mâles il y a énormément de NGF ce qui a permis des progrès importants dans la découverte du NGF. - NGF facteur de croissance nerveux et différentiation : La lignée cellulaire PC12 est issue d'un phéochromocytome (= tumeur bénigne de la glande surrénale mais qui entraine des désordres endocriniens importants). Ce sont des cellules qui ont une origine neuro-endocrine qui peuvent donc acquérir dans certaines circonstances un caractère neuronal. Expériences : En l'absence de sérum, les cellules meurent. En présence de sérum, elles vont proliférer. Et en présence de NGF, elles vont se différencier. Illustration de l'expérience : 6/12

7 On assiste donc à une coopération des facteurs de croissance pour induire la prolifération, la différentiation et la croissance cellulaire. C. Les mitogènes activent plusieurs voies de signalisation Ce sont les facteurs de croissance qui permettent de franchir le point R. Il existe 2 voies de signalisation : la voie des MAP kinases et des FRT c-fos, c-jun et c-myc (c = cellulaire) et la voie de la PI3-kinase/AKT Les conséquences de la mise en jeu des ces 2 voies sont : la sortie de la cellule de G0, donc l'augmentation de la production de cyclines de la phase G1, (les mitogènes ont pour objectif la sortie de la phase G0 et le passage du point R), la stimulation de l'activité des CDK de G1 et de G1/S, ce qui favorise la synthèse des cyclines et la formation des complexes CDK-cycline, le blocage de l'activité des inhibiteurs des complexes CDK-cycline, l'inactivation de la protéine prb, qui va être phosphorylée et ainsi libérer le facteur E2F, l'augmentation de la transcription des gênes requis pour la prolifération. Ces mitogènes permettent l'avancée de la phase G1 jusqu'à la phase S. Voie de la PI3-Kinase/ AKT : Les facteurs mitogènes sont liés sur le récepteur a activité tyrosine-kinase. L'activation de ce récepteur va activer dans un deuxième temps la PI3 Kinase. Cette PI3 Kinase activée va phosphoryler des lipides membranaires. Ces derniers servent de point d'ancrage à deux protéines kinases : la phosphoinositide dependant kinase (PDK) et l' AKT. (seule l'akt nous intéresse) AKT induit la prolifération cellulaire de différentes façons : activation du cycle cellulaire en inhibant (en phosphorylant) la kinase GS3Kβ qui lorsqu'elle est active phosphoryle la cycline D entrainant ainsi sa fuite du noyau vers le cytoplasme et donc sa dégradation rapide. La cycline D est ainsi stabilisée. activation des facteurs de transcription (NF-κB, en dégradant IκB) qui vont permettre l'expression des gênes impliqués dans la prolifération, blocage de apoptose. (développer dans un prochain cours) AKT active le facteur de transcription NF-kB. IkB est un inhibiteur du facteur de transcription NF-kB et le facteur de transcription NF-kB reste dans le cytoplasme. AKT va entrainer phosphorylation de IkB, puis sa dégradation. On a alors la libération du facteur de transcription NF-kB, celui-ci migre dans le noyau et induit la transcription des gènes qui vont conduire à la phase S. La voie de la PI3 Kinase/ AKT conduit à la stabilisation de la cycline D et à la transcription des gênes impliqués dans la phase S. 7/12

8 Voie des MAP-Kinases : Chez les mammifères, la voie des MAP-K se divise en 4 sous-familles : la voie Erk1/2 (extracellular signal-regulation 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 extra-cellulaire impliqué. Mitogène/ Récepteur membranaire Voie des MAP-Kinases Voie de la PI3-Kinase/ AKT Rac Ras Activation du Augmentation facteur de la quantité NF-kB de cycline D Activation de Jnk Activation d'erk 1/ 2 Phosphorylation de c-jun Transcription de c-fos Activation du facteur AP 1 Transcription Transcription de c-myc de la cycline D PROLIFERATION CE SCHEMA EST HYPER IMPORTANT! /12

9 Stimulus Facteur de croissance Activateur Ras Rac MKK MKK1 MKK4 MAPK Erk 1/ 2 Jnk Substrat Erk 1 c-jun L'activation par un facteur de croissance de la voie des MAP-K qui passe par Ras et par Rac va conduire à la production d'un facteur de transcription AP1. Ils agissent sous forme de dimère c-fos et c-jun. On a d'une part la transcription de c-fos ( voie Ras) et d'autre part la phosphorylation de c-jun (voie Rac) ce qui permet d'avoir un facteur de régulation de la transcription AP1 qui est actif. Sur ce schéma ce qui est important c'est qu'il y a d'un côté la phosphorylation de c-jun et la transcription de c-fos et que c'est ce binôme d'action qui va permettre d'activer le facteur de transcription AP1. AP1 active l'expression de la cycline D et aussi la transcription du gène c-myc qui est aussi un FRT qui peut activer la transcription de la cycline D, de E2F (qui permet l'entrée en phase S lorsqu'il n'est pas lié à la protéine prb) et d'une ubiquitine ligase qui va dégrader la protéine p27 qui est un inhibiteur du cycle cellulaire. Le but étant de faire rentrer la cellule en phase S. 9/12

10 Ici, les schémas montrent que l'ap1 induit la transcription de cycline D et que lorsque la cycline D est phosphorylée, elle va être ubiquitinylée et dégradée. Initialement c-myc et c-jun ont été identifiés dans des cellules virales dans le cas de cancers viraux (v-myc et v- jun), mais on a identifié des équivalents dans les cellules eucaryotes (c-myc et c-jun). Les cancers d'origine virale sont fréquents chez les animaux mais très rares chez l'homme. C'est l'étude de ces cancers qui a permis d'identifier ces gènes dans les cellules virales. Par la suite on a montré que ces gènes viraux, donc ces protéines étaient modifiées dans la transformation cancéreuse. Ces protéines sont des proto-oncogènes qui sous l'action de la transformation cancéreuse deviendront des oncogènes. Le FRT est en fait un dimère formé de c-myc et c-max. La caractéristique de c-max est de ne pas comporter de domaine d'activation de la protéine. Myc est fortement exprimé au cours de la phase G1 et correspond bien a un FRT. Le FRT activé est le dimère myc-max qui va entrainer la transcription des cyclines A, E et D mais aussi peut activer la p53 en cas de stress génotoxique et induire l'apoptose. C'est le rapport entre les dimères myc-max et mad-max (yeah!) qui va induire soit l'apoptose, la prolifération ou la différenciation. 10/12

11 Schéma du rôle de myc : Ce schéma est pas très lisible mais il faut retenir +++ que myc a un rôle important sur la phase G1 du cycle car il inhibe la transcription des inhibiteurs du cycle. Ce qui évite de passer par une régulation transcriptionnelle qui est plus longue. L'orientation vers la différenciation ou la prolifération dépend des signaux que la cellule va recevoir. D. Les cyclines D Facteur de croissance Fixation au récepteur Activation des kinases Maintien Augmentation de Augmentation de Activation de localisation la transcription stabilisation de CDC25 nucléaire de la cycline D la cycline D de la cycline D Activation des complexes CDK-cycline par déphosphorylation 11/12

12 Ces kinases vont activer les protéines de la famille CDC25 (phosphatases) qui vont activer les complexes CDKcycline par déphosphorylation avancée dans le cycle cellulaire. C'est la voie Ras qui est active donc Ras va phosphoryler CDC25 qui va donc être dégradée ce qui va activer les complexes CDK-cycline. Il y a traditionnellement parmi les facteurs de croissance : les facteurs dits de compétence qui rendent la cellule compétente pour entamer le cycle cellulaire c'est-àdire en G1. les facteurs dits de progression qui permettent la progression du cycle cellulaire jusqu'au franchissement du point R. Effets cellulaires des facteurs de croissance et leur chronologie : Ils possèdent des effets immédiats/ rapides (15 min), c'est-à-dire que dès lors où le facteur de croissance se lie à son récepteur il y a activation d'une première série de kinases puis d'une deuxième séries de kinases qui sont cytosoliques. Ces kinases activées vont rejoindre le noyau et donc vont activer les gènes des protéines de régulation. Les effets précoces et réponses primaires interviennent ensuite (exemple de myc). Et enfin, ce sont les effets tardifs et les réponses secondaires qui sont mises en jeu. Rappels qui ne mange pas de pain : PDGF = Facteur de croissance multifonctionnel de spécificité large. EGF = Facteur de croissance multifonctionnel de spécificité large. NGF = Facteur de croissance multifonctionnel de spécificité étroite. SPF est le facteur pour passer de G1 à S. MPF est le facteur pour passer de G2 à M. On dit d'une cellule qu'elle est compétente lorsqu'elle est en phase G1 puisqu'elle peut passer en S (il n'y a qu'une seule phase de réplication par cycle, souvenez-vous de l'expérience avec les hétérocaryons du premier cours) Les cellules reçoivent aussi bien des signaux de prolifération que des signaux d'inhibition de la prolifération (voir l'exemple sur l'inhibition de contact). Voilà c'était le petit mot du correcteur. En espérant avoir bien corrigé ce ronéo :) 12/12