1-Introduction : l'organisation cellulaire 2- Principes de transduction du signal 3- Les seconds messagers 4- Principaux récepteurs aux signaux

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1 1-Introduction : l'organisation cellulaire 2- Principes de transduction du signal 3- Les seconds messagers 4- Principaux récepteurs aux signaux extracellulaires 5-Les voies de signalisation - Les récepteurs couplés aux protéines G et leurs voies de signalisation - Les récepteurs tyrosine kinase - Les récepteurs des cytokines et apparentés 6-Les effecteurs des voies de signalisation - Régulation par les substrats: notions de contrôle de flux, d'étape limitante dans une chaîne métabolique, de compartimentalisation cellulaire, - Régulation hormonale des flux métaboliques

2 Les récepteurs métabotropes Ce sont des protéines trans-membranaires qui, après avoir fixé un ligand, changent de conformation et activent une cascade d'événements intracellulaires. Classes : Les récepteurs couplés à des protéines G (RCPG) trimériques Les récepteurs couplés à une enzyme intrinsèque qui, après avoir fixé leur(s) ligand(s), propagent le signal grâce à l'activité enzymatique de leur domaine intracellulaire. 3 grands types de récepteurs couplés à une enzyme intrinsèque : les récepteurs à activité guanylyl cyclase (synthèse de GMP cyclique). Exemples : récepteurs des peptides natriurétiques, récepteurs cytosoliques au monoxyde d'azote (NO) les récepteurs à activité tyrosine kinase, par exemple, le récepteur de l'insuline les récepteurs à activité tyrosine phosphatase c

3 Les récepteurs ionotropes Ce sont des protéines trans-membranaires qui, après avoir fixé un messager chimique, ouvrent un canal ionique : ces récepteurs - canaux sont généralement caractéristiques d'un ion (Na +, K +, Ca 2+, Cl - ). Il existe plusieurs classes de récepteurs ionotropes : 1 Les récepteurs trimériques activés par l'atp 2 Les récepteurs tetramériques activés par le glutamate 3 Les récepteurs pentamériques ou "Cys-loop"

4 1 Les récepteurs trimériques activés par l'atp L'ATP est un intermédiaire dans la communication cellulaire (exemple : la transmission synaptique entre neurones). C'est un nucléotide qui peut être relargué en grandes quantités par des cellules en stress (inflammation, trauma, hypoxie). L ATP extracellulaire est reconnu par des récepteurs purinergiques Récepteurs P2Y à 7 hélices transmembranaires, couplés à des protéines G hétérotrimériques Récepteurs P2X : protéines transmembranaires qui forment des canaux ioniques Les récepteurs - canaux ioniques P2X contrôlent de manière non-sélective le passage de cations (Na +, K + et Ca 2+ ) au travers de la membrane plasmique de la cellule. La fixation réversible de l'atp sur le récepteur induit un changement de conformation du récepteur : ce canal ionique trans-membranaire est alors ouvert ce qui entraîne un influx de [Ca 2+ / Na + ] et un efflux de K +.

5 2 Les récepteurs tetramériques activés par le glutamate Ils sont spécifiques des cations. Ils sont structurés en 4 sous-unités homologues. Chaque sous-unité contient : - Un domaine amino terminal extra-cellulaire comparable au domaine de fixation [Leu / Ile / Val] - Suivi par une moitié du domaine de fixation du ligand - Puis 2 segments transmembranaires séparés par une boucle dite "P-loop«- La seconde moitié du domaine de fixation du ligand et enfin un 3ème segment transmembranaire.

6 3 Les récepteurs pentamériques ou "Cys-loop" Ce type de récepteurs constitue une superfamille ("Cys-loop ligand-gated ion channel superfamily"). Ils sont structurés en 5 sous-unités homologues. Chaque sous-unité contient : Un domaine amino terminal extracellulaire 4 segments transmembranaires (M1 à M4) La boucle localisée entre M3 and M4 constitue le domaine intracellulaire.

7 1-Introduction : l'organisation cellulaire 2- Principes de transduction du signal 3- Les seconds messagers 4- Principaux récepteurs aux signaux extracellulaires 5-Les voies de signalisation - Les récepteurs couplés aux protéines G et leurs voies de signalisation - Les récepteurs tyrosine kinase - Les récepteurs des cytokines et apparentés 6-Les effecteurs des voies de signalisation - Régulation par les substrats: notions de contrôle de flux, d'étape limitante dans une chaîne métabolique, de compartimentalisation cellulaire, - Régulation hormonale des flux métaboliques

8 LES RECEPTEURS COUPLES AUX PROTEINES G Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) ou récepteurs à sept domaines transmembranaires (R7TM) s imposent comme la plus grande famille de récepteurs membranaires. Robert Lefkowitz et Brian Kobilka ont reçu le prix Nobel de Chimie en 2012 pour leurs travaux sur les RCPG. Actuellement, on recense env. 826 RCPG chez l'homme. Bien qu ayant une structure-cœur commune, ils ont la capacité de lier spécifiquement des ligands de natures très différentes (du photon au peptide, des hormones aux molécules odorantes) et de transmettre dans chaque cas l information à la cellule. Leur implication dans des processus multiples a naturellement fait d eux une cible pharmacologique privilégiée. A ce jour plus de 50% des médicaments mis sur le marché sont des ligands de RCPG et traitent des pathologies aussi diverses que l asthme, l hypertension, les allergies ou la migraine.

9 LES RECEPTEURS COUPLES AUX PROTEINES G Les R7TM sont caractérisés par leurs sept domaines transmembranaires hydrophobes TM1 à TM7 en α-hélice connectés par : 3 boucles intracellulaires (I1 à I3) et 3 boucles extracellulaires (E1 à E3). Des sites de glycosylation potentiels sont situés sur l extrémité N-terminale externe en amont de TM1. L extrémité C-terminale interne en aval de TM7 forme une pseudoboucle 4 (I4) par l intermédiaire d une ancre lipidique.

10 LES RECEPTEURS COUPLES AUX PROTEINES G Avec les boucles intracellulaires, le C terminal permet des interactions et des associations qui initient la signalisation intracellulaire. Pour certains R7TMs la protéine G se fixe à la boucle I2, au niveau de la suite des 3 acides aminés Asp- Arg-Tyr. Des mutations de ce motif altèrent la voie de signalisation dépendante des PG [Wei et al., 2003].

11 LES RECEPTEURS COUPLES AUX PROTEINES G Classification Au-delà de cette structure commune, les RCPG varient surtout par la longueur de leurs extrémités C- et N-terminales, par la composition en acides aminés de ces dernières, et celle des boucles externes et internes (Bockaert, 1999). Cette disparité est à la base de la différence de propriété de liaison des différents récepteurs, que ce soit au niveau des ligands ou des protéines intracellulaires. Chez les mammifères, les R7TMs sont repartis en 6 familles selon leur homologie de séquence et de structure [Bockaert and Pin, 1999].

12 LES RECEPTEURS COUPLES AUX PROTEINES G Famille 1 Récepteurs comportant le motif DRY dit de type rhodopsine. La plus importante 662 membres Inclut les récepteurs - de la lumière (rhodopsine), - de l'adrénaline, - de la noradrénaline, - des opiacés, - de l'olfaction - et du goût. Famille 2 Récepteurs de type sécrétine. Seulement ~25 membres Inclut les récepteurs : - des hormones peptidiques: - Famille des récepteurs des hormones gastro-intestinales (sécrétine, glucagon), - GHRH - CRH - Calcitonine - Hormone parathyroïdienne - des neuropeptides. Famille 3 Peu de membres. Inclut la famille des récepteurs - des hormones glycoprotéiques (LH, FSH, TSH), - métabotropiques du glutamate, du GABA, - du calcium - quelques récepteurs du goût.

13 Les protéines G sont ancrées dans le feuillet interne de la membrane plasmique grâce à des acylations. La sous-unité α porte un myristate ou un palmitate au niveau N-terminal. La sous-unité γ est isoprénylée par un farnésyl ou un géranylgéranyl. La sous-unité β ne porte pas de modification lipidique mais son association avec γ suffit à la maintenir à la membrane.

14 Les structures 3D de plusieurs protéines G ont été déterminées, la première étant celle de la transducine, protéine G spécifique de la rhodopsine obtenue à haute résolution (Palczewski, 2000). La sous-unité α est composée de deux parties : la première possède l activité d hydrolyse et la seconde, appelée domaine en hélices, permet de maintenir le GTP dans le cœur de la structure. L extrémité N- terminale s ordonne en hélice au contact de la sous-unité ß. Cette dernière est structurée par 7 feuillets ß et une hélice α en N- terminal qui permet l association de la sousunité γ. L interaction αßγ est plus forte quand α est sous la forme GDP, l échange par le GTP réduit l affinité de α pour le dimère ßγ (Cabrera-Vera, 2003).

15 Pré-couplage de la PG avec le récepteur La possibilité d un pré-couplage entre la protéine G et le récepteur est régulièrement évoquée. En se basant sur les paramètres pharmacologiques obtenus, des travaux sur le récepteur α2-adrénergique ont conclu au pré-couplage d environ un tiers de ces récepteurs avec sa protéine G (Neubig, 1988). Ce pré-couplage est diminué en présence des antagonistes, ou d ions Na+ (Tian, 1994). La recherche de telles associations a beaucoup progressé avec le développement des technologies de transfert d énergie de fluorescence (FRET).

16 Le système de transduction par les protéines G est très efficace car il amplifie le signal initial. Ceci est dû au fait que chaque sous-unité (α et βγ ) déclenche une réponse, et qu une même sous-unité peut activer plusieurs effecteurs. On peut supposer qu un seul récepteur soit capable d activer plusieurs protéines G à la suite. Le nombre d isoformes de chaque partenaire, les possibilités de couplages et/ou de dimérisation des récepteurs, ainsi que les phénomènes de régulation qui interviennent, rendent ainsi compte d un système très complexe (Gudermann, 1996). Les protéines dont la fonction est régulée par un RCPG sont très nombreuses, les plus connues : l adénylate cyclase, les phospholipases ou les canaux ioniques (Na, Ca ). On peut également évoquer des tyrosines kinases ou bien les protéines Rho (Bockaert, 1998; Pierce, 2002). De plus ces effecteurs libèrent par la suite des messagers secondaires (AMP cyclique, inositol triphosphate, ) qui induisent eux-mêmes d autres effets, et peuvent également déclencher d autres voies de signalisation.

17 Les protéines G sont composées de 3 sousunités Les protéines G Les protéines G sont classifiées en 4 grandes familles : les Gi, Gs, Gq, et G12. - La famille des Gi a été caractérisée comme inhibant l adénylate cyclase au contraire stimulée par la famille des Gs. - Gq et G12 activent différentes phospholipases. - Gt, ou transducine, est la protéine G spécifique à la rhodopsine.

18 Le cycle de signalisation Le cycle de signalisation débute par la liaison de l agoniste sur le site de fixation du Récepteur Activation des protéines G Echange du GDP par un GTP au niveau de la sousunité α, qui se sépare du dimère βγ. Les sous-unités α et βγ interagissent avec leurs effecteurs et moduler leurs activités. Remarque L hydrolyse du GTP met fin à l association de la sous-unité α avec son effecteur, ce qui permet de reconstituer la protéine G hétérotrimérique.

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20 Thème de recherche bibliographique dans le cadre du travail personnel de l étudiant Implication des voies de signalisation lors de la réaction asthmatique.