Introduction à la communication et à la signalisation cellulaire 2006 L2 Biologie Cellulaire

Introduction à la communication et à la signalisation cellulaire Principes généraux de la communication cellulaire Introduction Comment les cellules communiquent elles? Par l’intermédiaire de molécules liées à la membrane plasmique Directement de cytoplasme à cytoplasme Par l’intermédiaire de molécules sécrétées Les différents types de signaux chimiques Radicaux libres gazeux (NO) Molécules hydrophobes (stéroïdes,…) Molécules hydrosolubles (peptides, protéines,…) Les différentes formes de communications via les molécules sécrétées Paracrine Endocrine Synaptique Autocrine Le devenir d’une cellule dépend de l’intégration de différents signaux Le réseau de traduction cellulaire Signalisation cellulaire: Les grands principes La signalisation repose sur des interactions protéiques Domaines protéiques Les changements structuraux des protéines entraînent des changements d’affinités entre partenaires protéiques Les phosphorylations jouent un rôle essentiel dans ces changements structuraux Protéines kinases / phosphatases Protéines G Ces interactions protéiques ne se font pas au hasard dans le cytoplasme En l’absence d’interactions un signal peut être envoyé d’une protéine à une autre par l’intermédiaire d’un « second messager » Soluble: AMPc, Ca2+, IP3 Membranaire: diacylglycérol, PIP3,…

Introduction à la communication et à la signalisation cellulaire Les récepteurs enzymes Caractéristiques structurales Spécificité Les récepteurs à activité tyrosine kinase intrinsèque Mécanisme général La voie Ras/MAPK (mitogen activated protein kinase) Les récepteurs à activité sérine/thréonine kinase ex: TGF- Les récepteurs couplés à une tyrosine kinase Ex: Voie JAK/STAT des cytokines Les récepteurs couplés à une sérine/thréonine kinase Ex: Voie du TNF Récepteurs couplés au protéines G trimériques Diversité des ligands Structure du récepteur Les protéines G hétérotrimériques Les effecteurs Les deux principales voies de transduction par les RCPG Diversité des voies de transduction par les protéines G Interaction des voies de signalisation Voies des récepteurs enzymes et RCPG Modulation de l’activité des récepteurs

- Nécessité d’élaborer des mécanismes de traduction des signaux pour communiquer - Coordination de la réponse qui détermine la position, le rôle d’une cellule au sein de l’organisme - Importance de ces « contrôles sociaux » (ex: contrôle division c. et cancer)

Comment les cellules communiquent-elles? Par l’intermédiaire de molécules liées à la membrane plasmique : Les molécules d’adhérence Nbx gpts glucidiques; forte charge négative Lient les polysaccharides anioniques tels que ceux des mucines. Liaison entre c. différentes Multiples ligands: macromolécules de la MEC, protéines solubles, autres R d’adhérences (Ig-CAM) Interaction homotypique c./c. de même type. Interaction hétérotypique c./c. de même type ou non

Comment les cellules communiquent-elles? Directement de cytoplasme à cytoplasme: Les jonctions communicantes de type gap 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

Comment les cellules communiquent-elles? Par l’intermédiaire de molécules sécrétées Différents types de signaux chimiques: Radicaux libres gazeux (NO) Molécules hydrophobes (stéroïdes,…) Molécules hydrosolubles (peptides, protéines,…)

Exemple du monoxyde d’azote (NO) Caractéristiques Radical libre gazeux Diffusion à travers les membranes Synthèse et libération simultanée Molécule instable (5-10s) NO NO2- NO3- Effets (affinité pour le fer) Active la guanylate cyclase GTP GMPc protéines kinases Inhibe différentes enzymes (importance du phénomène?) Intervient dans le métabolisme du fer Interagit avec de nbses molécules: O2, hémoglobine,… Conséquences biologiques Pression artérielle Mémorisation Régulation du sommeil Différenciation, maturation Mort cellulaire Angiogenèse Inflammation

Molécules hydrophobes Exemples Hormones stéroïdes (le cortisol/métabolisme cellulaire, H. sexuelles/détermination des K sexuels) Hormones thyroïdiennes (augmentation du métabolisme) Les rétinoïdes (lipides médiateurs locaux impliqués dans le développement) Vitamine D (contrôle du métabolisme du calcium) Structure et fonction très différentes mais mécanisme d’action similaire - Diffusion à travers la membrane plasmique - Fixation à des récepteurs intracellulaires - Activation du récepteur Transcription de gène spécifique Caractéristiques Durée de vie longue (heure/jour) ≠ molécules hydrosolubles (seconde)

Molécules hydrophiles Exemples Acides aminés et dérivés neuromédiateurs (glutamate, GABA,…) Hormones (noradrenaline) Peptides neuromédiateurs Protéines: glycoprotéines, lipoprotéines - Autres: lumière, odeurs

Les différents types de récepteurs

Les formes de communication? Les cellules communiquent: Par l’intermédiaire de molécules liées à la membrane (moléc. d’adhérence) Directement de cytoplasme à cytoplasme (jonctions Gap) - Par l’intermédiaire de molécules sécrétées Les signaux chimiques Radicaux libres gazeux (NO,CO) Molécules hydrophobes (hormones stéroïdes) - Molécules hydrosolubles (aa, peptides, protéines) Les formes de communication?

Les différentes formes de communications via les molécules sécrétées

La transmission autocrine coordonne l’action de groupes cellulaires

Le devenir d’une cellule dépend de l’intégration de différents signaux F G DIFFERENCIATION

Les cellules spécialisées répondent sélectivement aux signaux cellulaires

Une même molécule peut induire différentes réponses selon le type cellulaire

Le réseau de traduction cellulaire - Les molécules informatives agissent en combinaison  Nb limité de molécules - Réponse à des séries complexes de stimuli Reconnaissance d’un profil - Peu de voies sont linéaires  contrôle simultané de nbx systèmes effecteurs - Architecture hautement connectée  Robustesse du système

Les récepteurs protéiques de surface

Effet allostérique liaison du ligand changement de conformation activation des effecteurs

Transduction d’un signal hydrosoluble

Signalisation cellulaire: Les grands principes -1- La signalisation repose sur des interactions protéiques •Domaines protéiques: SH2 SH3 PH • Les changements structuraux des protéines entraînent des changements d’affinités entre partenaires protéiques -2- Les phosphorylations jouent un rôle essentiel dans ces changements structuraux • Cascades de phosphorylation • Une majorité des protéines de signalisation sont des kinases ou phosphatases -3- Ces interactions protéiques ne se font pas au hasard dans le cytoplasme -4- En l’absence d’interactions un signal peut être envoyé d’une protéine à une autre par l’intermédiaire d’un « second messager » • Soluble: AMPc, Ca2+, IP3 • Membranaire: diacylglycérol, PIP3,…

Reconnaissance moléculaires par les adaptateurs Possibilité de regroupement spatial (permanente ou temporaire) de partenaires d’une même voie de signalisation

Les domaines protéiques sensibles à la phosphorylation Les domaines SH2 (Src homology 2) - Reconnaissent des sites peptidiques contenant une tyrosine phosphorylée Haute affinité de fixation entre domaines SH2 et des phosphopeptides ( Kd = 10 - 100 nM ). Présents sur de nombreuses molécules - Spécificité donné par les 3 aa suivants Séquence Protéines se fixant Y E E I Src, Lck, Fyn, Fgr Y  X M Sous-unité régulatrice de la PI3K Y  X  PLCg Y X X L Lck, ZAP70 P X Y (V/I) N (V/I) Grb2 Shc PTB Les domaines PTB (PhosphoTyrosine Binding domain) Reconnaissent des sites peptidiques contenant une tyrosine phosphorylée à l’extrémité Ct du ligand peptidique Les domaines WW Reconnaissent certains peptides phosphosérine ou phosphothréonine Les domaines PH (Pleckstrin Homology) 100aa Reconnaissent des phospho-inositides Localisation de nombreuses protéines au niveau de la membrane Y D N - P P -5 -4 -3 -2 -1 L

Les domaines SH3 - Les domaines SH3 reconnaissent des sites peptidiques (10 aa) contenant des prolines (Pro - rich). Faible affinité de fixation entre domaines SH3 et des peptides Pro - rich ( Kd = 5 - 100 M ). Deux types de peptides Pro - rich peuvent être reconnus par des domaines SH3 = spécificité SH3 PxxP Classe II Classe I V P P P V P P R R R A L P P L P R Y V P R L A R P Y Grb2 SH3 Src SH3

Regroupement physique de partenaires d’une même voie de signalisation Amplification du signal Empêche le cross-talk entre deux voies

Signalisation cellulaire: Les grands principes -1- La signalisation repose sur des interactions protéiques •Domaines protéiques: SH2 SH3 PH • Les changements structuraux des protéines entraînent des changements d’affinités entre partenaires protéiques -2- Les phosphorylations jouent un rôle essentiel dans ces changements structuraux • Cascades de phosphorylation • Une majorité des protéines de signalisation sont des kinases ou phosphatases -3- Ces interactions protéiques ne se font pas au hasard dans le cytoplasme -4- En l’absence d’interactions un signal peut être envoyé d’une protéine à une autre par l’intermédiaire d’un « second messager » • Soluble: AMPc, Ca2+, IP3 • Membranaire: diacylglycérol, PIP3,…

Acteurs de la signalisation intracellulaire Caractéristiques fonctionnelles P SIGNAL ENTRANT SORTANT ON OFF Transporteur = O H-P-OH OH - Une même stratégie La présence ou l’absence d’un Pi peut amener une protéine en conformation active ou inactive Modification réversible = horloges moléculaires/ interrupteur binaire

Protéines de la signalisation: Deux grands types Protéines kinases/phosphatases Ajoutent/enlèvent un Pi sur des protéines cibles spécifique Guanosines triphosphatases = GTPases = Protéines G se lient au GTP (forme active) et l’hydrolyse en GDP (inactive) La plupart des voies de signalisation font intervenir à la fois des GTPases et des kinases

Protéines kinases/phosphatases protéines activées ou inactivées par phosphorylation Activateur non phosphorylé KINASE PHOSPHATASE (ajout d’un groupement phosphate) (élimination d’un groupement phosphate) Activateur phosphorylé

Phosphorylation des protéines =Modification post-traductionnelle la plus courante Effet de la phosphorylation - Interférence stérique avec le S Changement de conformation - Création de site de liaison pour des protéines partenaires (domaines SH2ou PTB) (99%)

Régulation des protéines kinases 1- La phosphorylation Phosphorylation de la boucle d’activation au voisinage du site actif Accès au substrat Formation du site actif Phosphorylation inhibitrice ex: phosphorylation d’une Y en Ct  permet une liaison intramoléculaire

Régulation des protéines kinases 2- Régulation de la liaison au substrat Auto-inhibition: Présence d’un peptide inhibiteur intrinsèque qui se fixe sur les sites de liaison au substrat et les bloque Régulation extrinsèque par des sous unités inhibitrices ex: Des sous unités régulatrices (R) de la PKA l’inhibent en bloquant le site de liaison - Régulation extrinsèque par des sous unités activatrices Ex: des cyclines qui se lient aux kinases dépendantes de la cycline (Cdk) spécifiques du cycle cellulaire et les activent 3- Ciblage - Bicouches lipidiques - Localisation intracellulaire

Famille des protéines phosphatases

= protéines liant le GTP/ GTPases Les protéines G = protéines liant le GTP/ GTPases Active interagit avec les effecteurs

Diversité des protéines G

Protéines G hétérotrimériques

Protéines G monomériques Expression des gènes Organisation des microtubules Transport nucléocytoplasmique Trafic vésicules Expression des gènes & Cytosquelette (adhérence, motilité, morphologie)

Protéines G monomériques « Commutateurs biologiques » 60 4 60 70 GEF: guanine nucleotide exchange factors GAP: GTPase activating proteins GDI: Guanine nucleotide exchange inhibitors Régulation fine 1- Switch nucléotide 2- Modification lipidique & localisation 3- Expression génique (mRNA instable, tissus restreint, régulation transcriptionnelle)

Requirement of Rac1 and Rac2 Expression by Mature Dendritic Cells for T Cell Priming Federica Benvenuti, Stephanie Hugues, Marita Walmsley, Sandra Ruf, Luc Fetler, Michel Popoff, Victor L. J. Tybulewicz, and Sebastian Amigorena Science 20 August 2004: 1150-1153 WT DCs Rac1/2–/– DCs Treatment of DCs with Rac/cdc42/Ral-blocking toxins but not with Rho-blocking toxins resulted in a marked dose-dependent inhibition of T cell activation. Thus, Rho function in mature DCs was dispensable for the formation of stable DC–T cell conjugates and for T cell priming, whereas another Rho family GTPase was required.