Cours sur la signalisation cellulaire PDF

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LA SIGNALISATION CELLULAIRE I - INTRODUCTION La cellule est une structure complexe et hiérarchisée. L’organisation de la cellule exige des mécanismes d’information. Un organisme vivant est composé d’une société cellulaire où chaque cellule est intégrée à un réseau de signalisation et elle émet ou reçoit des informations. On a une cellule émettrice qui délivre le signal, qui est le messager, à la cellule réceptrice. Il réagit avec le récepteur de la cellule réceptrice ce qui engendre une réponse cellulaire. La cellule a un récepteur qui fixe le ligand qui est une molécule de signalisation qui agit à très faible concentration. Le message est transmis et amplifié grâce à une cascade de molécules intracellulaires, ce sont les 2 nd messagers. A la fin de la cascade le signal qui arrive aux molécules cible qui peuvent être : Des enzymes : elles modifient le métabolisme cellulaire Des facteurs de transcription : ils répriment ou induisent l’expression de certain gène Des éléments du cytosquelette : il y a modification de la morphologie de la cellule ou mouvement cellulaire. Les voies de signalisation peuvent transiter par une modification de l’expression de gêne ou pas. Quand la réponse cellulaire fait intervenir une modification de l’expression de gêne, elle est plus longue car la cellule doit transcrire le gène, transporter dans le cytoplasme l’ARN et mettre en place de nouvelle protéine, ce qui modifie donc la machinerie cytoplasmique puis du comportement cellulaire (min-h). Monopolise beaucoup d’énergie. L’autre voie s’affranchit de la transcription et traduction. Elle utilise les protéines constitutives (toujours présente) qui sont déjà présente dans le cytoplasme et qui sont inactives. La liaison au récepteur active la cascade de molécule et on observe des modifications de ces protéines (comme les P°) puis aussi modification de la machinerie cytoplasmique puis du comportement de la cellule. Cette voie est beaucoup plus rapide (s à la min) et permet à la cellule de répondre rapidement.

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Les récepteurs peuvent être : De surface : sont liés à la membrane et lient des molécules hydrophiles/lipophobes qui ne peuvent pas traverser la BC. Intracellulaire : lient les molécules hydrophobes/lipophiles. On les trouve dans le cytoplasme et le noyau.

II - LES MODES DE SIGNALISATION INTERCELLULAIRE  Communication par voie nerveuse ou signalisation neuronale/synapse La cellule émettrice est le neurone. Il envoie un potentiel électrique le long de l’axone que l’on définit comme le potentiel d’action. L’impulsion entraine la production d’un neurotransmetteur (signal chimique) au niveau des synapses. Il est délivré de manière spécifique à la cellule réceptrice post synaptique qui peut être un autre neurone, une cellule musculaire. Cette communication est relativement rapide : 10-100 m/s.  Signalisation endocrine ou voie humorale La cellule endocrine sécrète des hormones dans le sang et elles sont emmenées dans tout l’organisme. La voie est assez lente mais favorise la dissémination du signal.  Voie locale Les molécules signales (facteurs de croissance, cytokines) agissent sur des cellules réceptrices qui sont voisines de la cellule émettrice. On distingue deux types : Autocrine : envoie de signaux à elle-même, on dit qu’elle s’auto-induit. Paracrine : envoie de signaux à des cellules de même type ou à elle-même ; la cellule sécrète des molécules signales pouvant se fixer à ces récepteurs. On peut coordonner les cellules, elles forment des groupes. Molécules signal locales qui agit sur les cellules réceptrices à proximité.  Contact dépendant La molécule signal reste fixé à la cellule et c’est à elle d’entrer en contact avec le récepteur de la cellule cible. On observe cela lors de la réponse immunitaire.

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 Gap jonctions Les cellules sont liées via ces jonctions qui forment des canaux permettant l’échange de molécule intracellulaire de moins de 1000Da comme calcium et AMPc. On a donc une coordination des cellules de même type  réponse coordonnée à un même signal. Les cellules sont programmées pour répondre à des associations de signaux qui leur permettent : La survie La division La différenciation Quand une cellule ne reçoit pas de signaux elle entre en apoptose. Egalement, quand une cellule présente des dommages, elle peut envoyer ses propres signaux pour permettre sa destruction, sa phagocytose (notamment avec le flip-flop des PS en extracellulaire)

III - LES MOLECULES SIGNALES Elles peuvent être classées selon leurs propriétés.

A- Les molécules hydrosolubles/lipophobes Elles interagissent avec des récepteurs membranaires. • -

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Hormones peptidiques et protéiques : o Hormones pancréatique : L’insuline (hormone peptidique) est un composé hétérodimérique ; elle est composée d’une chaine α de 21 AA et d’une chaine β de 30 AA. Elles sont reliées par des ponts disulfures. C’est une hormone hypoglycémiante. Quand la glycémie est élevée elle est secrétée et entraine la mise en réserve du glucose en glycogène. Glucagon (hormone peptidique). Elle est sécrétée lors d’une hypoglycémie pour permettre la transformation du glycogène en glucose = hormone hyperglycémiante. Ce sont des hormones pancréatiques. Elles sont antagonistes et joue un rôle pour maintenir la glycémie. Le diabète de type 1 est la destruction des cellules produisant l’insuline. o Hormones hypophysaires : somatotropine = hormone de croissance (chaine de 191 AA). Une déficience de cette hormone entraine un nanisme

• Les neurotransmetteurs : De nature peptidique (de 3 à 30 aa) Endorphine : sécrété par hypophyse et hypothalamus. Ils ressemblent aux opiacés par leur propriétés analgésique et procure du bien-être. Les met-enképhialines inhibent les messages de douleurs au cerveau (se fixent sur des récepteurs des cellules nerveuses) Catécholamine : dérive de la tyrosine. On a la dopamine qui est le précurseur de l’adrénaline. Cette adrénaline sécrétée en réponse à un état de stress ou dans le cas d’une activité physique. Elle répond à un besoin d’énergie Sérotonine : elle dérive du tryptophane et est impliqué dans la thermorégulation, le cycle veille-sommeil. Acetylcholine : impliqué dans la mémoire. C’est le médiateur des terminaisons nerveuses. • Les cytokines qui sont des protéines. Elles regroupent les : Interférons Interleukine chimiokine Ce sont des molécules qui font de 8 à 20 KDa et sont synthétisées par les cellules immunitaires. Elles sont produites en réponse à un agent pathogène et stimule les cellules du système immunitaire. • Facteurs de croissance épidermique (polypeptide de poids moléculaire élevé, composé de 53 aa) qui régule la croissance des cellules et est impliqué dans la prolifération et différenciation des cellules.

B- Les molécules signal liposolubles/hydrophobes Interagissent avec des récepteurs intracellulaires. • Hormones stéroïdiennes qui dérivent du cholestérol : cortisol (glucocorticoïde): dégradation des lipides et protéines

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Progestérone Œstradiol (oetrogènes) Hormones thyroïdiennes (synthétisées par la glande thyroïde) Thyroxine. Un excès de cette molécule dans le sang entraine une hyperthyroïdie.

• Rétinoïde ou acide rétinoïque qui est des composés dérivés de la vitamine A. La vitamine A est impliqué dans la croissance des os et dans la pigmentation de l’œil. Acide rétinoïque : forme passif Rétinol : forme active • -

Gaz : NO (monoxyde d’azote) qui est un neurotransmetteur, un vasodilatateur et un régulateur de l’apoptose.

C. Les phytohormones Elles sont impliquées dans la signalisation liée au développement de la plante, véhiculé par la sève. Cytokinines : les analogues de cytokines et ont des propriétés anti-cancéreuses, utilisé dans les médicaments comme le taxol. Auxines Gibbérellines ABA (acide abscissique) Ethylène qui agit comme une hormone

IV - Les récepteurs Plusieurs caractères : spécifique : fixe un ligand donné, c’est stéréospécifique. affinité : fixe à faible concentration saturabilité : le nombre de récepteur est fini. Le nombre de ligand est donc limité. Réversibilité : la liaison entre le L et R n’est pas covalente. Le mécanisme opère très rapidement, il est dynamique. Le complexe peut se dissocier quand la concentration du L diminue. R+L  R-L Couplage : il faut des modules de couplages pour relayer le signal en IC. On les distingue selon les molécules signal : Nucléaire ou cytosolique : peuvent transloquer au niveau du noyau Membranaire : 3 grand types o Couplé aux canaux ioniques qui vont laisser passer les ions. o Aux protéines G o Aux enzymes

A. Les récepteurs nucléaires 1. Généralités Les protéines ont une structure primaire, il s’agit de leur chaine polypeptidique linéaire de N-term à C-term. Une fois synthétiser, elle acquiert une structure tertiaire qui est un agencement stable dans l’espace de la protéine qui va lui conférer certaine propriété, elles possèdent plusieurs domaines fonctionnels formant des monomères. Mais la protéine a besoin de plusieurs monomères identique ou non pour être active. Ils vont interagir avec des liaisons hydrogènes. Ceci constitue la structure quaternaire. Si on a 2 monomères identiques ensembles, on parlera d’homodimère. Ce sont des protéines monocaténaires de structure modulaire commune organisé en 6 domaines fonctionnels : AB (N-term) : il est de faible homologie d’un récepteur à l’autre. C’est le domaine d’activation de la transcription C (bien conservé) lié à l’ADN et impliqué dans la dimérisation du récepteur DLA D : domaine de liaison aux autres domaines et possède une séquence pour l’adressage au noyau (séquence permettant au transporteur de transloquer le récepteur vers le noyau) E : domaine de liaison au ligand. Impliqué dans la dimérisation des récepteurs non stéroïdiens. Il peut agir avec des co-régulateurs (co-activateurs ou répresseurs) DDL

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F (C-term): domaine variable. Peu conservé.

Récepteur aux œstrogènes : récepteur cytosolique. On voit le domaine DLA qui va se complexer à l’ADN. On voit aussi les hélices alpha.

2. Les interactions ligand-récepteur Le récepteur cytosolique va devoir transloquer dans le noyau. C’est le cas des récepteurs qui fixent les œstrogènes. En l’absence d’hormones il est maintenu inactif dans le cytoplasme complexé avec HSP. Quand l’hormone pénètre dans le cytoplasme elle se lie au récepteur et libère HPS (changement de conformation lors de la liaison et le récepteur a moins d’affinité pour HSP). Le récepteur se dimérise et forme un homodimère. Il va être importé dans le noyau de la cellule via les pôres nucléaire et se fixe à des séquences spécifiques que l’on appelle les éléments de réponse. Ce sont de courte séquence d’ADN qui se trouve dans le promoteur des gènes. Les récepteurs s’y fixent recrutent un co-activateur. Ils vont ensuite recruter l’ARN polymérase qui est une enzyme qui réalise la transcription. On a donc une production d’ARN messager qui passe dans le cytoplasme. On a alors une réponse cellulaire qui entraine une modification cellulaire. Ce système met un certain temps a ce mettre en place car il faut une certaine quantité de protéine dans le cytoplasme pour permettre la réponse. Cas où le récepteur est déjà localisé dans le noyau. L’hormone a traversé la BC et entre dans le noyau en traversant un pore nucléaire. On observe se types de récepteurs pour les hormones thyroïdiennes. Le récepteur est sous forme hétérodimérique. L’un des monomères est fixé à un co-répresseur, ce système est inactif car il est incapable de recruter ARN polymérase. Lorsque l’hormone se fixe elle entraine un changement conformationnel et le co-répresseur se détache. Le récepteur sera plus affin pour une autre molécule qui est le co-activateur. Le complexe va ensuite recruter l’ARN polymérase, puis formation d’ARNm. Il peut y avoir plusieurs gènes d’activés, jusqu’à 200 entrainant alors la synthèse de 200 protéines.

3. Les interactions récepteur-ADN Les monomères du récepteur forment une structure qui est une structure en doigt de Zn. Commune a de nombreuses protéines. Le domaine DLA fixe une zone de l’ADN s’enchâsse au niveau des sillons de l’ADN, ce sont des domaines en doigts de zinc qui se fixe à l’ADN. Les éléments de réponse : Il y a un lien entre les éléments de réponse et l’ADN. Les éléments de réponse sont composés de 2 hexa-nucléotides séparées par un nombre variable d’autre nucléotide. A chaque demi-élément se fixe un monomère du récepteur. On peut avoir : Des répétitions inversées : on parle de structure palindromique (glucocorticoïde AA/TT, progestérone GT/CA). Des répétitions directes : la séquence est identique (ac.rétinoïque GT/CA, Vitamine D GT/CA). On peut donc avoir une idée du type de récepteur qui peut s’y fixer.

B. Les récepteurs membranaires 1. Les récepteurs canaux ioniques a) Généralités La MP est chargé positivement sur la face externe et négativement sur la face interne. La différence de charge forme le potentiel de repos qui est de -70mV. La cellule baigne dans un milieu riche en Na. Et le K+ est riche en IC. Le K+ sort par simple diffusion, par transport passif car le K+ est plus important en IC. En revanche le Na+ entre dans la cellule car plus présent en EC. Pour rétablir se déséquilibre il existe des pompe ATP dépendante qui agissent dans le sens inverse du gradient de concentration. On a donc un transport actif. Le potentiel de repos est constant grâce à cette pompe. Certains canaux sont ouverts ou fermés. Quand les signaux sont perçus par les canaux, ceux-ci s’ouvrent. On observe une dépolarisation locale et transitoire de la MP, on parle de potentiel d’action qui est ici de +30mV. Le canal se ferme rapidement un fois le message transmis avec une repolarisation de la cellule pour revenir au PR. La modification de PR en PA est utilisé par les cellules pour : Communiquer (cellule nerveuse) : l’influx nerveux circule le long de l’axone et propage une succession de PA. Initier une contraction (cellule musculaire) Initier une sécrétion (cellule endocrine)

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Il existe différents récepteurs canaux ionique dépendant du ligand : - récepteur ionotropique : le canal et le récepteur en font qu’un - récepteur métabotropique : le récepteur est couplé à une protéine G qui elle-même est couplé au canal. Le ligand se fixe sur le récepteur. b) Les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine Il s’agit d’un récepteur ionotropique et est à conductance sodique. Il en existe deux types : neuronal (synapse du SNC) : pentamère de combinaison hétérodimérique, on trouve plusieurs sous unités (α2β3, α3β2 par exemple). musculaire (jonction neuromusculaire) : pentamère de 4 sous unités α2, β, δ et γ. L’ach est libéré par le motoneurone et se fixe aux 2 sous unités α du récepteur nicotinique de la cellule de la fibre musculaire. Cela entraine l’entrée de Na dans la cellule. Dépolarisation et libération de Ca en IC après une cascade de réaction. L’élévation du Ca entraine la contraction des muscles squelettique. Les 2 sous unités α fixent chacune une molécule d’ach. Quand l’ach est fixé le canal s’ouvre. Il existe des neurotoxines qui se fixent sur les récepteurs nicotiniques et empêche la connexion entre les neurones et les muscles qui se traduisent par une paralysie (venin de cobra). Le cobra a des récepteurs α2, β, δ et γ. Il y a une légère modification des récepteurs. Il y a fixation d’un résidu glucidique à côté du site de fixation de l’ach et empêche la fixation de la toxine car elle a un encombrement stérique important ; l’ach peut s’y fixer du fait de sa petite taille. La mangouste possède aussi ce système pour se protéger du cobra.

2. Les récepteurs couplés aux protéines G a) Généralités La protéine G est hétérotrimérique : formée de 3 monomères différents (αβγ). On a un effecteur : Enzymatique et alors on aura un 2nd messager qui propagera le signal comme AMPc Canal ionique b) Structure des récepteurs Constitué d’une chaine polypeptidique avec : - un domaine N-term extracellulaire glycosylé - domaine médian de 7 hélices α TM hydrophobes, liées entre elles par de courtes boucles - C-term intracellulaire qui porte des sites de phosphorylation c) Les protéines G hétérotrimériques - 3 sous unité - ancrage à la membrane par des chaines hydrophobes Distingue par la nature de la sous unités alpha, elle lui donne sa spécificité. Elle se lie au nucléotide guanine (GTP, GDP) Elle a une activité GTPase, elle hydrolyse le GTP et relargue un phosphate L’ancrage à la MP des sous unités se fait via des groupements hydrophobes. La sous unité α est ancrée par un groupement myristyl. L’acide myristique (AG saturé, C14:0) est fixé sur le résidu glycine de l’extrémité NH2 de la protéine, il y a formation d’une liaison amide. L’ancrage de la sous unités γ se fait via un groupement farnésyl (ou terpène en C15) qui est lié par une liaison thioéther à un résidu cystéine à son extrémité COOH. Cycle d’activation et désactivation : Le récepteur est lié avec l’extrémité C-term de la protéine G. A l’état inactif la sous unité α est lié au GDP. Quand elle est stimulée, le récepteur fixe le ligand et change de conformation et entraine l’activation de la sous unité α. La sous unité relargue le GDP et se lie à une molécule de GTP. Cela entraine également l’activation de β et γ. L’échange GDPGTP provoque la dissociation du trimère (on a un monomère α et un dimère). La sous unités α peut partir interagir avec des protéines cibles qui sont les effecteurs. Ils vont ensuite transmettre le signal par une cascade de réaction. Quand le signal est transmis, c’est la que l’activité catalytique de alpha entre en jeu. Il y a hydrolyse du GTP et on retrouve la sous unité α lié au GDP. Il y a réassemblage des sous unités. On a un recyclage de la protéine G.

3 ». Les récepteurs couplés aux enzymes a) Généralités Ce sont des protéines TM qui possèdent un seul domaine TM et ont différentes activités : Activité enzymatique intrinsèque :

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o Récepteur à activité Tyrosine kinase : phosphorylation des tyrosines o Récepteur à activité sérine-thréonine kinase : phosphorylation des sérines et thréonine o Récepteur à activité guanylate cyclase : catalyse la production de GMPc dans le cytoplasme On peut avoir des récepteurs couplés à une enzyme car ils n’ont pas d’activité catalytique (couplé à tyrosine kinase ou à une sérine-thréonine kinase). b) Les récepteurs à activité tyrosine kinase (important dans le règne animal) Ils sont activés par de nombreux types de ligand : facteur de croissance, insuline. L’activité tyrosine kinase permet de phosphoryler un ou plusieurs résidus tyrosine dans une réaction qui nécessite de l’ATP. Protéine-Tyr + ATP  Protéine-Tyr-P + ADP Ces récepteurs constituent une famille multigénique. On peut les classer selon les motifs qui les composent : domaine TM domaine tyrosine kinase : côté cytoplasmique domaine riche en cystéine et variable en milieu extracellulaire beaucoup de domaine différents en extracellulaires car grands nombres de ligand différents. Le récepteur à insuline a une structure particulière, il est dimérique. L’Activation de ces récepteurs se fait selon 2 étapes : dimérisation o lors de la fixation du ligand (comme PDGF, facteur de croissance dérivés des plaquettes) o avant fixation du ligand (insuline) dès que le ligand est fixé on a une autophosphorylation du récepteur : il y a un remaniement des chaines ce qui active le domaine kinase et entraine une phosphorylation des tyrosine de la chaine Elle crée des sites d’arrimage pour les protéines adaptatrices. c) Protéines adaptatrices et domaines d’interaction Association du récepteur à des protéines adaptatrices grâce à des domaines structuraux. On retrouve les mêmes domaines d’interactions protéine-protéine pour différente voies de signalisation. On a les domaines SH2 et PTB qui sont très conservé et qui interagissent avec les résidus tyrosines phosphorylés. Elles se fixent au niveau des tyrosines phosphorylées. Par ailleurs, il existe d’autres domaines qui interagissent avec des zones riches en proline, c’est le cas des domaines SH3. Exemple : La P* des Tyr crée des sites d’arrimage pour les protéines adaptatrices. Par exemple le récepteur du...