Mécanismes moléculaires de la transduction des signauxLe métabolisme de l’information

2ème partie

Hélène CavéDépartement de Génétique, Hôpital Robert Debré

FACULTE DE MEDECINE

L2 - UE1Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies

Dissociation de la protéine G et action sur ses cibles

ACTIVATION D’UNE KINASE

PHOSPHORYLATION DU RECEPTEUR

ACTIVATION D’UNE PROTEINE G

P P

ααααββββγγγγ

ββββγγγγαααα

RECEPTEURS ENZYMES

Fonction tyrosine kinase activéeSites d’ancrage

RECEPTEURSRECEPTEURS--ENZYMESENZYMES

- Activité enzymatique associée : voie JAK/STAT

- Activité enzymatique intrinsèque- Récepteurs à Tyr kinase

- Récepteurs à activité Ser/Thr kinase- Guanylate cyclase

JAK (Janus kinase)JAK (Janus kinase)

H2N COOH

Famille de 4 tyrosine-kinasesJAK1, JAK2, JAK3, TYK2

VOIE JAK-STAT

LES PROTEINES DE SIGNALISATION CONTIENNENT DES MOTIFS RECURRENTS

SH3SH3 SH2SH2 SH1c-Src

Liaison à des Tyr-PSpécificité variable

(affinité 103x celle de la liaison substrat/ligand d’une TK)

Liaison à des domaines

riches en proline(PXXP)

Tyrosine kinase

Domaine d’homologie à la pleckstrine (PH)

Domaines d’homologie à Src (SH)

Motif de liaison aux phospho-inositides(protéines de signalisation, protéines du cytosquelette)

STAT (STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription)

H2N COOHDimérisation Liaison ADN SH2

P

Tyrosine conservée

Famille de 7 facteurs de transcription

VOIE JAK-STAT

SOCSSOCS ((Suppressor of Cytokine signaling)

7 membres, SOCS1 à SOCS7

VOIE JAK-STAT

KIR SH2 Boite SOCSH2N COOH

Elongin B Elongin C

Cullin-5

Ligase E2

Ring-box-2

JAK : Janus kinaseSTAT : signal Transducer and activator of transcription

PP

Ny

JAKJAK

JAK

JAK

PP

Ligands : Facteurs de Croissance, Cytokines, GH, leptine, Interferon…

1) Dimérisation des récepteurs2) Phosphorylation croisée des JAK > Tyrosine kinase activée3) Phosphorylation du récepteur

VOIE JAK-STAT

STAT

JAK : Janus kinaseSTAT : signal Transducer and activator of transcription

STATPP

Ny

JAKJAK

1) Dimérisation des récepteurs2) Phosphorylation croisée des JAK > Tyrosine kinase activée3) Phosphorylation du récepteur > fixation STAT (SH2)4) Phosphorylation de STAT

PP

VOIE JAK-STAT

STAT

JAK : Janus kinaseSTAT : signal Transducer and activator of transcription

STATPP

Ny

JAKJAK

P

P

P

P

STAT STATPP

STAT STATPP

1) Dimérisation des récepteurs2) Phosphorylation croisée des JAK > Tyrosine kinase activée3) Phosphorylation du récepteur > fixation STAT (SH2)4) Phosphorylation de STAT > dimère stable de STAT 5) Liaison ADN (Facteur de Transcription)

VOIE JAK-STAT

STAT

JAK : Janus kinaseSTAT : signal Transducer and activator of transcriptionSOCS : suppressor of cytokine signaling

STATPP

Ny

JAKJAK

P

P

P

P

STAT STATPP

STAT STATPP

1) Dimérisation des récepteurs2) Phosphorylation croisée des JAK > Tyrosine kinase activée3) Phosphorylation du récepteur > fixation STAT (SH2)4) Phosphorylation de STAT > dimère stable de STAT 5) Liaison ADN (Facteur de Transcription)6) Expression de SOCS / retrocontrôle negatif SOCS

SOCS

VOIE JAK-STAT

STAT

JAK : Janus kinaseSTAT : signal Transducer and activator of transcriptionSOCS : suppressor of cytokine signaling

PP

Ny

JAKJAK

P

PP

STAT STATPP

1) Dimérisation des récepteurs2) Phosphorylation croisée des JAK > Tyrosine kinase activée3) Phosphorylation du récepteur > fixation STAT (SH2)4) Phosphorylation de STAT > dimère stable de STAT 5) Liaison ADN (Facteur de Transcription)6) Expression de SOCS / retrocontrôle negatif SOCS

SOCS

SOCS

VOIE JAK-STAT

STAT

JAK : Janus kinaseSTAT : signal Transducer and activator of transcriptionSOCS : suppressor of cytokine signaling

PP

Ny

JAKJAK

P

P

STAT STATPP

1) Dimérisation des récepteurs2) Phosphorylation croisée des JAK > Tyrosine kinase activée3) Phosphorylation du récepteur > fixation STAT (SH2)4) Phosphorylation de STAT > dimère stable de STAT 5) Liaison ADN (Facteur de Transcription)6) Expression de SOCS / retrocontrôle negatif SOCS

SOCS

P

PROTEASOME

VOIE JAK-STAT

Les combinatoiresLes combinatoires

Récepteur

JAK

STAT

Gènes induits

Murray, J Immunol 2007

VOIE JAK-STAT

SIGNAL DE L’INTERFERON GAMMA

GAS : IFNγ activating sequencePlatanias, Nature Reviews immunol 2007

RECEPTEURSRECEPTEURS--ENZYMESENZYMES

- Activité enzymatique associée : voie JAK/STAT

- Activité enzymatique intrinsèque- Récepteurs à Tyr kinase

- Récepteurs à activité Ser/Thr kinase- Guanylate cyclase

Quelques exemples de ligandsQuelques exemples de ligands……

Epidermal Growth factor (EGF) Récepteur à l’EGF (EGFR)

Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires

Insulin Growth factor (IGF1 et 2)

Récepteur à l’IGF1 (IGF1R)

Stimule la croissance cellulaire et la survie

Nerve Growth factor (NGF) Récepteur au NGF (NGFR)

Stimule la croissance cellulaire et la survie de nombreux neurones

Platelet-derived Growth factor (PDGF)

Récepteur au PDGF (PDGFR)

Stimule la croissance, la survie et la prolifération de nombreux types cellulaires

Macrophage-colony stimulatingfactor (M-CSF)

Récepteur au M-CSF (M-CSFR)

Stimule la prolifération des monocytes/macrophages et la différenciation

Fibroblast Growth factor (FGF)

Récepteur au FGF (FGFR)

Stimule la prolifération de nombreux types cellulaires et inhibe la différenciation de certains précurseurs cellulaires

LES RECEPTEURS A ACTIVITE TK SONT LES RECEPTEURS DES FACTEURS DE CROISSANCE

RECEPTEURS A ACTIVITE TYROSINE KINASE

Imgt.cines.fr

Domaine extra-cellulaireTrès glycosyléHomologies partielles

Domaine transmembranaire

Domaine intra-cytoplasmique

Domaines riches en Cys

Domaines TK

Environ 60 récepteurs - 20 sous-familles

Classe I Classe II Classe III

(NB :quelques cas de Ser/Thr kinase)

LigandsPolypeptidiques

FACTEURS DE CROISSANCE

RECEPTEURS A ACTIVITE TYROSINE KINASE

Imgt.cines.fr

Domaine extra-cellulaireTrès glycosyléHomologies partielles

Domaine transmembranaire

Domaine intra-cytoplasmique

Domaines riches en Cys

Domaines TK

Environ 60 récepteurs - 20 sous-familles

Classe I Classe II Classe III

(NB :quelques cas de Ser/Thr kinase)

LigandsPolypeptidiques

FACTEURS DE CROISSANCE

ACTIVATION DES RECEPTEURS TK

Milieu extracellulaire

Cytosol P P

Tyr Tyr

Tyr Tyr

ProtéineSH2 Auto-phosphorylation d’une tyrosine

intracellulaire du récepteur

Protéine

P

Protéine

ProtéineSH2

ACTIVATION DES RECEPTEURS TK

Milieu extracellulaire

Cytosol P P

Tyr Tyr

Tyr Tyr

ProtéineSH2 Auto-phosphorylation d’une tyrosine

intracellulaire du récepteur���� Activation de l’activité tyr-kinase� Site de liaison / protéine (domaine SH2)

Terminaison du signal :- phosphatases- endocytose du récepteur

ACTIVATION DES RECEPTEURS TK

ProtéineSH2

PTyr Tyr

EFFECTEURS

Activation d’une cascade (interactions en série entre macromolécules)

Ex: protéine kinases

Activation d’une fonction enzymatiqueEx: Phospholipases, Lipide Kinases

Production d’une petite molécule(2nd messager)

Phosphatidyl inositol-P3 (PIP3)

Activation/inactivation de protéines cible

AMPLIFICATION +/-BRANCHEMENTS

Protéine

P

Protéine

P

UN RTK PEUT CONTENIR PLUSIEURS SITES DE LIAISONAUX SH2 ET ACTIVER PLUSIEURS EFFECTEURS

P

P

P

P

P

P

PDGFR

P

P

P

Domainecatalytique

Src kinase

GRB2

PI3K

PI3K, Nck

Ras-GAP

PTP-iD, SHP2

PLCγγγγ

Activation

PDGF : Platelet derived growth factor

LES PROTEINES DE SIGNALISATION CONTIENNENT DES MOTIFS RECURRENTS

Adaptateurs moléculaires

Protéines se liant à d’autres protéines sans activité catalytique propre

SH3SH3 SH2SH2 SH1c-Src

Liaison à des Tyr-PSpécificité variable

affinité 103x celle de la liaison substrat/ligand d’une TK)

Liaison à des domaines

riches en proline(PXXP)

Tyrosine kinase

SH : Src homology

SH3SH3 SH2SH2 SH3SH3GRB2

SosGrb2PP

Cycle de RAS

RAS GTPRAS GDP

NF1

Pi

RAS

GTP

GDP

ACTIVATION/INACTIVATION DE RAS

Guanine nucleotideExchange Factors (GEFs)

GTPase-activatingproteins (GAPs).

Commutateur moléculaire

RAS : sous-famille des petites protéines G

Récepteur

Facteur de croissance

soluble

SosGrb2

Cycle de RAS

RAS GTPRAS GDP

NF1

Pi

RAS

GTP

GDP

PLUSIEURS VOIES RELAYENT LE SIGNAL EN AVAL DE RAS

MAPK

PI3K

RALGDS

Organisation Organisation

du cytosquelettedu cytosquelette

TrafficTraffic

de vde véésiculessicules

SurvieSurvie

ProlifProliféérationration

Signal CaSignal Ca++++PLCεεεε

TIAM1

PP

Récepteur

Facteur de croissance

soluble

SosGrb2

ELK

Ny

Myc, …

MAPK

MAPKKK

MAPKKRAF

MEK

ERK

RAS GTPRAS GDP

NF1

Pi

RAS

GTP

GDP

RAS ACTIVE LA CACADE DES MAPK/ERK

Protéine

P

Protéine

MAPK : Mitogen activted protein kinaseERK : Extracellular signal regulated kinase

PP

Récepteur

Facteur de croissance

soluble

ISOFORMES DE RAS

Schubbert et al., Nature Reviews Cancer 2007

3 gènes RAS codent 4 protéines de 21 kD à forte homologie

Région hypervariableRésidus spécifiant les modifications post- traductionnelles des protéines

Epissagealternatif

Domaine très conservé

Downward, Nature Reviews Cancer 2002

Ftase : Farnesyl transféraseFPP : Farnesyl pyrophosphate

MODIFICATIONS POST-TRADUCTIONNELLES DE RAS

Karnoub & Weinberg Nat Review Mol Cell Biol, 2008

Les résidus Cys rouge sont farnésylés et les verts palmitoylés

Membrane plasmique

Membrane réticulum endoplasmique

(HRAS et NRAS)

TRAFFIC INTRACELLULAIRE DE RAS

Mor & Philips, Annu Rev Immunol 2006

Mor & Philips, Annu Rev Immunol 2006

Protéines d’assemblage macromoléculaires ���� Compartimentation des MAPK dans la cellule

TRAFFIC INTRACELLULAIRE DE RAS

2nd messager

Vivanco, Nature reviews Cancer, 2002

Phosphatidyl-inositol(4,5)P2

PIP2

Phosphatidyl-inositol(3,4,5)P3

PIP3

RAS ACTIVE LA VOIE DE LA PI3K/AKT

Phosphatase withtensin homology domain

PTENPTEN

PI3KPhosphatidyl inositol 3 kinase

Acidesgras

Glycerol

Inositol

SosGrb2PP

Récepteur

Facteur de croissance

soluble

p110

p85

RAS GTP

VOIE DE LA PI3K/AKT

PIP2PIP3

PI3K

PDK1 AKTP P

PDK2

ProtProtééineine

P

ProtProtééineine

Cibles cellulaires

PDK : Phosphoinositide-dependent kinase

SosGrb2

p110

p85

RAS GTP

VOIE DE LA PI3K/AKT

PIP2PIP3

PI3K

PDK1 AKTP P

PDK2

Cibles cellulaires

mdm2

Arrêt du cycle cellulaireRéparation de l’ADN

Apoptose

P53

mTOR

CroissanceTraduction

GS3K

Cycle cellulaireMétabolisme

du glucose

NF-κκκκB FKHR BAD

Apoptose

(����) (����) (����)(-) (-)(-)

PP

Récepteur

Facteur de croissance

soluble

Pendaries et al. FEBS letter 2003

La voie impliquant InlB/Met receptor/Gab1/PI3-kinase est utiliséepour l’entrée de L. monocytogenes dans la cellule

METABOLISME DES PHOSPHOINOSITIDES ET INFECTIONCertaines bactéries pathogènes utilisent le métabolisme des PI

pour augmenter leur virulence

Modifications du cytosquelette

Internalisation de la bactérie

Cibles

Cellulehôte

PI3Kp110

Listeria monocytogenes

Exemple de l’EGFR

Signaux divers («input»)(différents RTK)

Noyau de processus conservés(PI3K, MAPK, Ca++, …)

Contrôle du système

+/-

Conséquences moléculaires diverses («output»)(réponse transcriptionnelle, cytosquelette, enzymes)

+/-

RESEAU DE SIGNALISATION

Wullshleger et al., Cell 2010

DIALOGUE DIALOGUE [CROSS[CROSS--TALK]TALK] ENTRE VOIES DE SIGNALISATIONENTRE VOIES DE SIGNALISATION

CONVERGENCE

« A ou B » « A et B »EFFETS ADDITIFS INTEGRATION

INTERACTIONS FONCTIONNELLESINTERACTIONS FONCTIONNELLES

REGULATIONREGULATION

dorsal

ventral

Développement de la drosophile

DIALOGUE DIALOGUE [CROSS[CROSS--TALK]TALK] ENTRE VOIES DE SIGNALISATIONENTRE VOIES DE SIGNALISATION

Différentiel d’affinité des kinases pour leurs cibles(Familles de gènes / compétition entre substrats)

Phosphatases

Isolement spatial(complexes macromoléculaires)

INTERFERENCESINTERFERENCES

COMPARTIMENTATION DES PKALes AKAP ou « de l’ordre dans le chaos »

� Micro-compartimentation cellulaire des cascades de signalisation (+/- gradient)

� Activation coordonnée des protéines kinases regroupement des composants de la voie de signalisation et d’arrêt du signal (phosphodiesterase) en complexe multiprotéique

� Efficacité (présentation substrat/enzyme en orientation optimale)

A-kinase anchoring proteins (AKAP) Protéines d’assemblage de complexes macromoléculaires

L’AMPc régule la réponse à des stimuli externes- Dans une région sub-cellulaire délimitée- Pendant un intervalle de temps limité= Gradient spatio-temporel

PKA

Autres molécules de signalisation Localisation

sub-cellulaire

METABOLISME DE LMETABOLISME DE L’’INFORMATION / METABOLISME ENERGETIQUEINFORMATION / METABOLISME ENERGETIQUE

Voies de signalisation Métabolisme énergétique

Transfert d’information Transfert de masse

Complexes moléculaires

10-104 molécules grandes quantités (µM ou mM)

Equilibre entre les quantités Quantités de substrat >> Enzymede substrat et d’enzyme

PATHOLOGIE TOUCHANT LES CIRCUITS DE SIGNALISATION

NEUROFIBROMATOSE DE TYPE 1 (NF1)

Autosomique dominante1/3500 naissances

Haploinsuffisance

� Difficultés d’apprentisage fréquentes� Anomalies du squelette� Nodules de Lish

Inactivation bi-allelique

� Prédisposition aux tumeurs malignes(neurofibrosarcome, astrocytome, phaeochromocytome et LMMJ)

RAS

GTP

GDP

RAS GTPRAS GDP

Pi

Cycle de RAS

NeurofibromineNeurofibromine

(NF1)(NF1)

X

MUTATIONS DE GENES DE LA VOIE RAS DANS LES TUMEURSMUTATIONS DE GENES DE LA VOIE RAS DANS LES TUMEURS

MUTATIONS DE RASAdénocarcinome du poumon 33% KAdénocarcinome du colon 44% KAdénome du colon 13-50%Adénocarcinomes du pancréas 85% KCarcinome de la thyroïde 55% H,K,NLeucémie aiguë lymphoblastique 15% K,N

RAF

SosGrb2PP

RAS

GTP

GDP

RAS GTPRAS GDP

RAS GAP

Pi

Cycle de RAS

X

KRAS>NRAS>HRAS

MUTATIONS DE GENES DE LA VOIE RAS DANS LES TUMEURS

Roberts et Der, Oncogene 2007

sosGRB2

RAS

BRAF

MEK

ERK

EGFR

TGFαααα

EGFR : ErbB1 / HER1ErbB2 / HER2 / Neu

Surexpression d’EGFR• Cancer colorectal (27-77%)

• Cancer du pancréas (30-50%)• Cancer du poumon (40-80%)

Mutations de RAS• Cancer du pancréas (90%)

• Cancer de la thyroïde (60%)• Cancer du colon (50%)• Cancer du poumon (30%)

Mutations de BRAF• Mélanome (70%)

• Cancer de la thyroïde (50%)• Cancer du colon (10%)

Mutation d’EGFR• Glioblastome (30-50%)

• Cancer du poumon (10%)

MUTATIONS DE GENES DE LA VOIE RAS DANS LES TUMEURS

Roberts et Der, Oncogene 2007

Inhibiteurs de farnesyl transferaseBi-phosphonatesStatines

AZD6244ARRY142886UO126

SorafenibRaf265PLX4032

sosGRB2

RAS

BRAF

MEK

ERK

EGFR

TGFααααTrastuzumab(Herceptine™)Cetuximab(Erbitux™)

Inhibiteurs de TK

Erlotinib

Geftinib

Franklin et al. Nature Medecine 2006

Le processus peut être bloqué : • au niveau du récepteur par l’Herceptine ou PK166 • Au niveau de la phosphorylation d’Erk1/2 par l’inhibiteur de MEK UO126.

LA LEPRE LA LEPRE (Mycobacterium leprae)

M Leprae active les récepteurs ErbB2 à la surface des cellules de Schwann et entraîne leur démyélinisation.