UE2-Biocell-FC13-Communication intercellulaire PDF

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cours s'adressant aux PACES de PARIS 13...

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Paris 13 UE2 : Biologie cellulaire et intégration

FICHE DE COURS N°13 : LA COMMUNICATION INTERCELLULAIRE (Thématique abordée en séance 4)

 Notion tombée 1 fois au concours  Notion tombée 2 fois au concours  Notion tombée 3 fois ou plus au concours

Nouveauté au programme cette année

A. Principes généraux de la communication intercellulaire  La communication entre cellules est le fait d'établir une relation entre elles afin d'induire un changement d'état de la cellule.  La communication via des signaux chimiques fait intervenir deux partenaires : une cellule émettrice d'un signal et une cellule réceptrice capable de reconnaitre ce signal particulier.  Le principe de la transmission cellulaire par signaux chimiques repose sur la production d'un signal par une cellule émettrice qui sera transmis au niveau de la cellule cible qui intégrera le signal afin de produire des effets biologiques.

① Les différents types de communication intercellulaire Communication via des jonctions communicantes (gap Junction) 

= Etablissement de canaux appelés connexons (interaction de 6 molécules de connexines) entre deux cellules adjacentes.  Laisse passer des petites molécules (exemple: passage du calcium).  Permet un couplage électrochimique.  Signalisation à courte distance sans sécrétion. Synchronisation éventuelle d’un groupe de cellules (exemple : présence de gap junction entre l’ovocyte et les cellules de la granulosa permettant le passage de molécules pour la croissance de l’ovocyte).

Communication via des structures responsables de la reconnaissance et de l’adhérence cellulaire 

= Agrégation de cellules grâce à des mécanismes de reconnaissance et d’adhérence spécifique leur permettant de communiquer.  Adhérence cellule-cellule ou adhérence cellule-MEC.  Importance dans l’organogenèse. 4 grands types des molécules de reconnaissance : Intégrines, superfamille des immunoglobulines, sélectines et cadhérines. Certaines sont calcium-dépendante.

Communication via des signaux chimiques  (protéine, acides aminés, peptides, lipides, ions, protons…)

= communication entre une cellule émettrice et une cellule cible (réceptrice) qui se fait en plusieurs étapes : 1-Synthèse d'une molécule signal = le ligand. 2-Relargage du ligand par la cellule sécrétrice ou émettrice (transmission du signal). 3-Transport du ligand vers la cellule cible. 4-Liaison du ligand à un récepteur spécifique exprimé par la cellule cible. 5-Réponse de la cellule cible => changement des fonctions de l’expression des gènes ou du métabolisme de la cellule cible (intégration du signal => effet biologique). En fonction de l’interprétation du signal pour un même ligand, on peut avoir des effets biologiques différents. 6-Disparition du ligand => arrêt de la réponse cellulaire (mécanismes de régulation ou rétrocontrôle).  Des défauts de régulation sont à l’origine de pathologies

② Communication via des signaux chimiques ❶ Nature du message transmis  Survie.  Différenciation  et migration cellulaire.  Prolifération.  Apoptose (mort programmée de la cellule).  Invasion….. Conséquences possibles :  Modification de l’expression génique.  Modification du métabolisme.

❷Libération du signal  Par exocytose (ligands hydrophiles).  Par diffusion (ligands lipophiles).  Shedding (ligands hydrophiles) = clivage qui se fait par une protéase (de type métalloprotéase) de la partie extracellulaire d'une protéine précurseur transmembranaire, qui libère un ligand actif. (Exemple du récepteur au TNF)  mécanismemoins fréquent que l’exocytose.

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❸Les différents ligands

Deux types de ligands

Exemple de synthèsede ligands 1-Synthèse de l’enzyme, la tyrosine hydroxylase dans un neurone dopaminergique.

Ligand hydrophile

 Ils ne peuvent pas traverser la membrane plasmique.  Fixation sur des récepteurs membranaires.  Leur synthèse met en jeu des processus de stockage au sein de vésicules de sécrétion qui sont libérés par un phénomène d’exocytose après déclenchement d’un stimulus.

Ligand lipophile

 Ils sont capables de traverser la membrane plasmique.  Fixation sur des récepteurs intracellulaires: cytosolique ou nucléaire.  Leur synthèse est régulée par un stimulus extracellulaire puis ils sont libérés directement dans le milieu extracellulaire où ils

Dopamine (amine)

2-Transport de l’enzyme par le flux axonal vers la terminaison synaptique. 3-Synthèse du ligand : Transformation de la tyrosine en L-DOPA par cette enzyme au niveau de la synapse qui donne la dopamine par action de la DOPA-décarboxylase. 4-Stockage de la dopamine dans une vésicule de sécrétion. 5-Libération dans l’espace présynaptique sous l’effet d’un influx nerveux.

Peptides

Hormones stéroïdes et thyroïdiennes

1-Synthèse d’un précurseur protéique. 2-Maturation dans le REG et l’appareil de Golgi. 3-Stockage dans une vésicule de sécrétion à la sortie du Golgi.

1-Synthèse de l’hormone dans le cytoplasme de la cellule après stimulation extracellulaire. 2-Libération de ligands lipophiles qui sortent de la cellule par diffusion à travers la membrane plasmique sans stockage intermédiaire. 3-Association des ligands à des protéines de transport pour être véhiculés en milieu aqueux jusqu’à la vésicule cible. Cette association permet également de protéger le ligand lipophile.

s’associent à des transporteurs ou protéines porteuses.

❹ Inactivation du signal (essentiellement pour les peptides et les amines) => Afin de stopper la réponse cellulaire, de la limiter dans le temps, la molécule signal peut être dégradée ou inactivée.

L’inactivation enzymatique

La recapture du ligand

= Dégradation du ligand par une enzyme spécifique qui diffère selon leur nature :  La mono amino oxydase (MAO) ou la catéchol O méthyl transférase ( COMT) dégradent les ligands amines qui se sont fixés sur leurs récepteurs.  Des peptidases dégradent les peptides qui se sont fixés sur leur récepteur. La dopamine (DA) non fixée sur le récepteur (dopamine en excès) va être recapturée par le neurone pré-synaptique grâce au cotransporteur Na+/Cl- dopamine. Cette recapture, a pour conséquence une diminution de la concentration en dopamine libre dans l’espace présynaptique, entraînant une dissociation des molécules de dopamines liées à leur récepteur sur le neurone postsynaptique. La dopamine entre dans la vésicule de sécrétion de la vésicule présynaptique par un système antiport DA/H+.

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❺ Deux grands types de signalisation intercellulaire par signaux chimiques

Signalisation par sécrétion de ligands à proximité 

Signalisation à distance 

Signalisation inclassable

Sécrétion paracrine

Les cellules sécrétrices et les cellules cibles sont de types cellulaires différents. (ex d’un macrophage qui émet un signal à proximité d’une cellule hépatique)

Sécrétion autocrine

 Les cellules sécrétrices et les cellules cibles sont de types cellulaires identiques.  Sécrétion qui permet de coordonner l’action de groupes de cellules  de même type cellulaire.  Fixation possible sur les récepteurs de la cellule émettrice  => autostimulation.  c’est une des caractéristiques des cellules tumorales d’avoir une prolifération incontrôlée par stimulation autocrine. Les cellules endocrines libèrent un signal dans la circulation sanguine qui atteint des cellules éloignées.

Signalisation endocrine

 Exemple des signalisations de l’axe hypotalamo-hypophysaire qui sécrètent des hormones (LH et FSH) qui sont véhiculées par le sang et auront une action sur les ovaires.

Transfert de signal synaptique

 Le neurone émetteur entre en contact avec la cellule cible via la synapse à l’extrémité de son axone.  Lorsque le neurone est activé, il va envoyer des potentiels d’action le long de son axone induisant la libération de neurotransmetteurs au niveau de la fente synaptique. Ce neurotransmetteur se fixera alors sur la cellule post-synaptique.

❻ Couple récepteur-ligand  La liaison du ligand sur son récepteur est spécifique.  La liaison d’un ligand à son récepteur peut avoir des effets différents selon le type cellulaire considéré (L’intégration du signal est différent d’une cellule à l’autre).  La liaison récepteur-ligand est caractérisée par des valeurs biochimiques caractéristiques :  B max = nombre total de récepteurs occupés (=100%) densité de récepteurs exprimés à la surface de la cellule = saturation  Kd = Concentration du ligand nécessaire pour occuper la moitié des sites sur une cellule (= la moitié du Bmax)   Kd reflète l’affinité  du ligand pour le récepteur

Plus le KD est faible, plus l’affinité du ligand pour le récepteur est forte .

B. Les différents types de récepteurs Il existe 2 grands types de récepteurs :  Récepteurs intracellulaires (nucléaire ou cytosolique) qui fixent un ligand liposoluble (hormones stéroïdes, acide rétinoïque…).  Couple ligand/récepteur (dimérisation du récepteur) qui agit comme un facteur de transcription et régule la transcription de gènes.  Récepteurs membranaires (molécules protéiques glycosylées ou non)qui fixent un ligand hydrophile (facteurs de croissance, peptides, chimiokines, cytokines, hormones glycoprotéiques (LH, FSH), petites molécules hydrosolubles comme les acides aminés).  Intégration et transduction du signal via une cascade de signalisation par l’intermédiaire de médiateurs cellulaires.

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①Récepteurs membranaires ❶ Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) Récepteurs très impliqués dans le goût  et l’odorat Plus de 1000 ADN complémentaires codants pour les RCPG

 Structure  Une chaîne polypeptidique à 7 domaines transmembranaires avec une extrémité N-terminale en extracellulaire et une extrémité Cterminale en intracellulaire.

Le récepteur

 3 boucles intracellulaires et 3 boucles extracellulaires.  Les segments transmembranaires (hydrophobes) sont le plus souvent agencés en hélice alpha.  Extrémité N-ter et boucles extracellulaires : site de liaison du ligand.  Extrémité C-ter et boucles intracellulaires : site de liaison (non covalente) et d’activation de la protéine G.  Elles sont formées d’un dimère βɣ ancré sur la face cytosolique de la membrane et d’un monomère α.  Le monomère α est capable de se dissocier, de se lier et d’hydrolyser du GTP devenant ainsi actif. Lorsque la sous-

Cycle des protéines G trimériques 

unité α fixe du GDP, elle est alors sous forme inactive  et elle est associée au dimère βγ. Changement d’état (actif/inactif) en fonction

Cycle des protéines G

de la liaison au

GTP/GDP .  Il existe différentes familles de protéines G en fonction de la sousunité α (elle confère la spécificité à la protéine G) :  Gs et Gq qui activent un effecteur.  Gi qui inhibe un effecteur.  Protéine membranaire  qui a un rôle d’effecteur enzymatique  (1er effecteur des RCPG)  Composée de 2 domaines catalytiques identiques au niveau de la

L’adénylate cyclase

face cytosolique  et de 2 domaines transmembranaires constitués chacun de 6 hélices alpha.  Activée par des protéines de type Gs.  Permet la transformation d’ATP en AMPc (1er second messager des RCPG). A

la

fin

de

la

réaction,

l’AMPc

est

dégradé

par

une

phosphodiésterase en AMP inactif.  Ce sont des enzymes à activité AMPc dépendante.  Complexe de 2 sous-unités catalytiques et régulatrices liant l’AMPc.

Protéine kinase A (PKA)

de 2 sous-unités

 Fixation de l’AMPc sur les 2 sous-unités régulatrices  relargage des sous-unités catalytiques qui pénètrent dans le noyau.  Les

sous-unités

catalytiques

catalysent

le

transfert

d’un

groupement phosphate d’1 ATP sur une sérine ou une thréonine

d’1 protéine cible (= phosphorylation). Sous-unité  PKA sont différentes d’un type cellulaire à un autre : les effets régulatrice

Sous-unité catalytique

biologiques seront différents.

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 Mode d’activation ①

Ligand Mb plasmique

③

effecteur enzymatique forme activée de la Effecteurs activés inactif protéine G Second ② (adénylate cyclase, messager ④ ① Fixation du ligand sur le récepteur. phospholipase C) Kinase dépendante Kinase active ⑤ du 2nd messager => changement de conformation du récepteur. (inactive) ② Recrutement et activation d’une protéine G trimérique. ③ Activation d’un effecteur membranaire (souvent enzymatique). ⑥ ④ Génération de seconds messagers = molécules de signalisation intracellulaire (AMPc, IP3, DAG et calcium) => induit l’amplification du signal. ⑤ Activation de protéines cytosoliques (le plus souvent des kinases qui ont une activité de phosphorylation de substrats). ⑥ Les protéines cytosoliquesactivées vont aller phosphoryler des protéines cibles. récepteur protéine G inactive



Voie de l’Adénosine Mono-Phosphate cyclique (AMPc)

① Activation d’un RCPG par fixation d’un ligand => Recrutement et activation d’une protéine Gs. ② Activation de l’adénylate cyclase => production d’AMPc à partir d’ATP . ③ Activation de la PKA par fixation de l’AMPc sur les 2 sous-unités régulatrices => relargage des 2 sous-unités catalytiques. ④ Phosphorylation de protéines nucléaires comme CREB (facteur de transcription) => dimérisation de CREB (= CRE binding protein) et fixation sur des régions régulatrices des gènes (en 5’ ou en 3’), le plus souvent dans la région promotrice du gène, au niveau de séquences d’ADN régulatrices CRE (= cAMP response element) des gènes cibles. ⑤ Activation de la transcription de gènes cibles. Certains récepteurs recrutent une protéine Gi et inhibent alors l’adénylate cyclase et donc la production d’AMPc. Amplification du signal  :  1 molécule de ligand active 1 RCPG.  1 RCPG active une 10e de protéines G.  Chaque protéine G active 1 effecteur qui conduit à la production de plusieurs 10e de seconds messagers.  Voie de la phospholipase C (PLC) RCPG

①

Protéine G hétérotrimérique

⑥ ⑤

② Effecteur

① Activation d’un RCPG par fixation d’un ligand.

③

 Recrutement et activation d’1 protéine Gq. ② Activation de l’effecteur , la phospholipase C.  Dégradation du PIP2 membranaire en de l’inositol 1,4,5 triphosphate (IP 3) cytosolique  et en 1,2 diacyglycérol (DAG membranaire, second messager).

Canaux calciques sensibles à IP3

③ IP3 (= second messager intracellulaire) se fixe sur un récepteur canal dépendant du Ca2+  sur la membrane du RE  libération de Ca2+ (= second messager intracellulaire)dans le cytosol. ④ Activation des canaux SOC (en réponse à une déplétion du pool de Ca2+ dans le RE) au niveau de la membrane plasmique Canaux SOC  libération de Ca2+ dans le cytosol. ( voltage dépendant Ca2+ ATPase ⑤ Activation de la protéine kinase C (PKC) par le ou canal lié à un récepteur) 2+ Ca qui se fixe sur les sous-unités régulatrices Mb plasmique  translocation de la PKC à la membrane.

⑥ Liaison PKC-DAG  libération du site catalytique de PKC. ⑦ Phosphorylation (sur des résidus sérine ou thréonine) de divers substrats dont des facteurs de transcription  Activation de la transcription de gènes cibles.

• Canaux SOC • Récepteur-IP3

[Ca2+] cytosolique

④ Cytosol

Pompe Ca2+ ATPase

[Ca2+] cytosolique

Récepteur-canal à IP3 Ca2+ ATPase

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❷ Récepteurs à activité enzymatique  Ce sont des récepteurs à un seul domaine transmembranaire dont le segment intra-cytoplasmique présente une activité enzymatique intrinsèque  qui est stimulée par la fixation du ligand sur le site de liaison extracellulaire.  Il existe 2 grands types de récepteurs à activité enzymatique intrinsèque : les récepteurs à activité tyrosine kinase et les récepteurs à activité sérine/thréonine kinase.

Récepteurs à activité tyrosine kinase



 Sont stimulés par des facteurs de croissance tels que EGF, IGF, FGF, PDGF et VEGF ou de l’insuline.  Leur dysfonctionnement, le plus souvent par mutation, est retrouvé dans la majorité des transformations tumorales.  Deux types de domaines extracellulaires pour ces récepteurs : - Domaines riches en cystéine : EGF, Insuline et IGF-1 - Domaines de type immunoglobuline (boucle d’une 100e acides aminés reliés par un pont disulfure): PDGF, VEGF et FGF, M-CSF (VEGF : rôle important au cours de l’angiogenèse).

Domaine de liaison au ligand Domaine à activité tyrosine kinase  Mode d’activation :

EGF

① Fixation du ligand (2 molécules de ligand) sur le domaine extracellulaire.

Insuline et IGF-1

② Dimérisation des récepteurs . ③ Autophosphorylation des résidus tyrosine par la kinase intrinsèque du domaine intracellulaire (la kinase d’1 monomère phosphoryle l’autre monomère).

FGF

PDGF et M-CSF

VEGF

Domaine à activité tyrosine kinase interrompu par une zone d’insertion de la kinase

④ Recrutement et phosphorylations d’effecteurs : Ras, PI(3)kinase, PLCγ ou Src

⑤ Chaque effecteur va stimuler une cascade intracellulaire spécifique : - Phosphorylation de protéines cytosoliques, facteurs de transcription. - Transcription de gènes cibles : prolifération, apoptose, différenciation…  Exemple de Ras ou de la voie des MAP kinases  : La protéine Ras codée par un pro-oncogène peut être mutée au cours de la transformation d’une cellule normale en cellule tumorale (Ras est mutée dans plus de 30-40% des cancers) Protéine Ras = petite protéine G monomérique  associée à la membrane : - Existe sous 2 états : actif lié au GTP  et inactif lié au GDP.

- Activation indirecte de Ras par le recrutement de protéines adaptatrices GRB2 et SOS. - Active la voie des MAP kinases = cascades de phosphorylations : o Ras-GTP active Raf (MAP KKK) o Raf phosphoryle MEK (MAP KK) o MEK phosphoryle ERKs, JNKs ou p38s (MAP K) o MAP K phosphorylent des protéines cytosoliques, facteurs de transcription, gènes de prolifération, apoptose,…… EGF ①

Récepteur à l’EGF ② PI(3)K

④ Ras

④

⑤ PIP2-PIP3

③

③

Raf ⑤

④

MAP kinase

④ Src ⑤ Substrats

PLCϒ DAG

PIP2 ⑤ IP3

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 Récepteurs à activité sérine/thréonine kinase  Ils sont stimulés par le TGFβ, les activines et les protéines morphogénétiques osseuses (BMP) .  Il existe deux sous-types R1 et R2.  Ce sont des protéines à un seul domaine transmembranaire comportant une région à activité sérine-thréonine kinase au niveau de la portion intracellulaire. ①  Mode d’activation : Domaine de liaison aux ① Fixation de deux molécules de ligands. ligands ② ② Assemblage de 4 récepteurs = 2R1 et 2R2. (formation d’un hétéro-tétramère) Domaine Trans③ R2 se phosphorylent réciproquement sur les résidus sérine et membranaire thréonine puis phosphorylent R1. ④ ④ R1 vont recruter puis phosphoryler de petites protéines Domaine à ③ activité cytosoliques, les SMAD. sérine/thréonine ⑤ SMAD (=facteurs de transcription), le plus souvent sous forme R1 R2 kinase de dimère, rejoignent le noyau et activent la transcription de Vers le noyau ⑤ gènes cible.

❸ Récepteurs canaux ioniques ligand dépendants  Ces récepteurs sont des canaux dont l’ouverture dépend de la fixation d’u...