Généralités sur les voies de transduction Relation structure - fonction des protéines

Introduction 2. Cascade d'évènements 3. Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) 4. Les protéines G 5. Multiplicité des voies de transduction 6. Exemples de transduction de signaux par des récepteurs couplés aux protéines G

1. Introduction Toutes les cellules ont des mécanismes pour percevoir des signaux de l’environnement et d'y répondre. Les unicellulaires : trouver / ingérer leur nourriture et éviter les toxiques. Organismes supérieurs : répondre à une série de signaux encore plus importante et définir des systèmes de réponse intégrés pour : les éléments nutritifs les facteurs de croissance les neurotransmetteurs les stimuli sensoriels

1. Introduction Dans tous ces cas : le signal doit être reçu par la cellule Le signal doit être transmis au travers de la membrane plasmatique Il existe donc des protéines R au niveau des membranes

Ex: passage des ions aux travers des membranes peut modifier les liaisons entre macromolécules induisant un changement de structure tridimensionnelle et donc des propriétés. -un site de fixation initialement inaccessible à un ligand, peut le devenir. -La fixation du ligand peut, à son tour, révéler d'autres sites permettant d'autres liaisons spécifiques, et ainsi de suite. Ces modifications moléculaires en cascade peuvent être activée par un signal et coordonnée à d'autres ensembles de réactions biochimiques.

Si le signal est extracellulaire  systèmes de transduction : la nature du signal est modifiée de telle sorte que son sens biologique soit "compris" par la cellule. Systèmes de transduction constitués de : 1) canaux ioniques 2) de récepteurs couplés aux protéines G 3) de récepteurs couplés aux tyrosine-kinases

2. Cascade d'évènements L'activation des récepteurs couplés aux protéines G entraîne une cascade d'événements : l'activation d'un récepteur par son ligand activation ou inhibition par la protéine G d'une protéine effectrice l'activation de la protéine G

Cette cascade inclut la modulation de la concentration intracellulaire d'un second messager l'AMP cyclique (AMPc) synthétisé par l'adénylate cyclase (AC), active à son tour la protéine-kinase A (PKA) la synthèse de phosphoinositol (PI) qui se lie à un R du réticulum endoplasmique, et libère le calcium la synthèse de diacylglycérol (DAG) qui active la protéine kinase C (PKC) l'augmentation de la [Ca2+]i essentiellement sous forme liée à la calmoduline(CaM) active les CaM-kinases qui phosphorylent de nombreuses protéines

3. Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) Lefkowitz et Kobilka : prix Nobel de Chimie en 2012 pour leurs travaux sur les RCPG. Il existe plus de 1000 RCPG. Structure caractérisée par : une extrémité N-terminale extracellulaire. Peut subir des modifications post-traductionnelles 7 hélices α trans-membranaires (TM1 à TM7) reliées par 3 boucles intracellulaires (I1, I2, I3) et 3 extracellulaires (E1, E2, E3) un pont disulfure entre boucles E1 et E2 une extrémité C-terminale intracellulaire : possède parfois des sites d'ancrage lipidique dans la membrane (création d'une 4ème boucle, I4)

3. Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) Structure moléculaire variable Les R visuels possèdent un "ligand intrinsèque" (Figure 4a): le chromophore 11-cis-rétinal Les R des amines et olfactifs : Site de liaison du ligand à l'intérieur de la poche formée par les 7 TM (Figure 4b). Les R des peptides et des chimiokines lient leur ligand dans les régions extracellulaires (Figure 4c). Les hormones glycoprotéiques (FSH, LH..), le Ca2+ et l'acide glutamique, reconnaissent l’extrémité N-terminale de leurs R (Figure 4d et 4e).

3. Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) Structure moléculaire variable Le R de la fraction C3a du complément (Figure 4g) possède une deuxième boucle extracellulaire très grande les récepteurs de type EGF-TM7 avec une grande région amino-terminale, pouvant être soumise à clivage protéolytique (Figure 4h) qui conduit à un hétérodimère αβ.

Activation du récepteur de la thrombine par clivage protéolytique. Le R de la thrombine (ou Protease-Activated Receptor 1, PAR-1) est clivé au niveau de son extrémité amino-terminale par la thrombine (a). La nouvelle extrémité ainsi libérée constitue le vrai ligand agoniste (b).

4. Les protéines G pour «Guanine nucleotide binding proteins »  Gilman et Rodbell (prix Nobel de médecine 1994). Participent à la transduction du signal intermédiaires entre R membranaires et systèmes intracellulaires. Appartiennent aux GTPases.

GAP = GTPase activating protein A) Protéine G Hétérotrimèrique, liées à la membrane composé de 3 ss-unité (α, β, γ). sous-unités α (39 - 46 kDa), β (35 - 39 kDa) et γ (8 kDa) GAP = GTPase activating protein

B) Prot G monomérique Petites protéines G (famille Rho, Rac, Ras): -régulation du cycle cellulaire -transport, -Polarité des cellules pendant leur développement

4. Les protéines G pour "Guanine nucleotide binding proteins" Amplifient le signal : chaque R activé par un ligand stimule de nombreuses molécules de protéines G chaque complexe [protéine G - enzyme cible] catalyse de nombreuses réactions avant que la protéine G ne soit inactivée. cette série d'amplification s'appelle une cascade. Elles sont activées par les récepteurs couplés aux protéines G

Activation - désactivation des protéines G La structure complète d'un complexe RCPG - protéine Gs publiée en 2011 par l'équipe de Kobilka (Prix Nobel 2012). Quand une hormone se fixe à son R membranaire il change de conformation 2. le R-L se fixe à une protG (inactive - chargée en GDP) en face interne de la membrane. 3. Le GDP est remplacé par le GTP activant ainsi la protéine G

4. Les sous-unités β et γ forment un complexe libéré de la sous-unité α après l'échange du GDP en GTP. Une fois activée, la sous-unité α se dissocie du récepteur et se fixe à son enzyme cible (effecteur) en l'activant.

5. L'activité phosphatase (dite GTPase) de la sous-unité α hydrolyse le GTP  réassociation des sous-unités de la protéine G. La protéine G retrouve sa conformation liant le GDP et est de nouveau inactive.

Les diverses classes de sous unités α la classe Gs (stimule l'adénylate cyclase) contient : quatre types de sous unités α, (épissage alternatif) la sous unité Golf (olfactif) spécifique des R olfactifs la classe Gi/o (inhibe l'adénylate cyclase) contient : deux types de transducine (αt1, αt2 - bâtonnet et cône de la rétine) par épissage alternatif trois sous unités Gi trois sous unités Go ("o" pour "other") la sous unité Gz la classe Gq/11 (stimule la phospholipase C) contient les sous unités Gq, G11, G14, G15 et G16 La famille G12a (régulation du cytosquelette) contient les sous unités G12 et G13

Relations possibles entre un récepteur et diverses protéines G

5. Multiplicité des voies de signalisation 1er facteur : un R peut être couplé à plusieurs types de protéines G Ex : Le glutamate : 8 récepteurs métabotropes (mGlu) classés en 3 groupes et 3 R ionotropes NMDA, AMPA, kaïnate. Les mGlu couplent l'action de protéines G à différents messagers secondaires : groupe I (mGlu1 et mGlu5) : hydrolysent les phosphoinositides via l'activation de la phospholipase C (PLC). Ou active l’adénylate cyclase (AC) groupe II (mGlu2 et mGlu3) et groupe III (mGlu 4, 6, 7 et 8) : couplage négatif vers l'adénylate cyclase et modulent un grand nombre de canaux ioniques.

5. Multiplicité des voies de signalisation

5. Multiplicité des voies de signalisation 2ème facteur : les sous-unités [β - γ] une fois activées et donc dissociées de la protéine G peuvent agir sur des effecteurs différents. β et γ n'ont pas de site catalytique  modulateurs via des interactions protéine - protéine qu'elles régulent. DONC le complexe [β - γ] = molécule signal. Par ex :R [muscarinique / acétylcholine] qui ouvre des canaux potassique GIRK ("G protein-regulated inward rectifier potassium channel")

5. Multiplicité des voies de signalisation

6. Exemples de transduction de signaux par RCPG Vision: rhodopsine (bâtonnets) et 3 opsines (cônes sensibles aux couleurs) servent de R pour la lumière. Le 11-cis-rétinal dans la 7è TM, absorbe le photon. Le R s'associe à une ProtG qui couple le récepteur à la PDE. La PDE hydrolyse le GMPc. (suite au prochain épisode !!) 11-cis retinal

Les R olfactifs : unique protéine G appelée Golf Cette protéine G couple le récepteur à une forme d'adénylate cyclase propre aux neurones olfactifs. La formation d'AMPc ouvre un canal ionique Na+ - K+.

Le R β-adrénergique s'associe avec la protéine Gs couplée + à l'adénylate cyclase (AC). L'AC produit l'AMP cyclique (AMPc) qui exerce ses effets par l'intermédiaire d'une protéine kinase AMPc dépendante.

Voies effectrices associées aux RCPG pour 3 NT classiques du SNC

Bilans des seconds messagers

cAMP et cGMP

IP3 et DAG

Le calcium comme second messager