Communication et Signalisation cellulaires *** - e

Communication et Signalisation
cellulaires
***
Institute of Physiology and Cell Biology, Hannover School of Veterinary Medicine, Differentiated human N-2 neuronal cells, 6 weeks old (40x) Confocal (laser)
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Plan du cours
Introduction : Origine, évolution et méthodes d'étude
Ch. 1. Principes généraux de la communication cellulaire
1 – Différents types de transmission
2 – La multiplicité des réponses
3 – L'arrêt du signal
4 – Adaptation de la cellule cible
Ch. 2. Les différents types de signaux
1 – L'oxyde nitrique et le monoxyde de carbone
2 – Les amines
3 – Les hormones thyroïdiennes
4 – Les dérivés lipidiques
5 – Les stéroïdes et rétinoïdes
6 – Les neurotransmetteurs amino-acides
7 – Les médiateurs peptidiques
8 – Les médiateurs protéiques
Ch. 3. Les Récepteurs
Introduction
Classification
1 – Récepteurs canaux ioniques
2 – Récepteurs enzymes
. Tyrosine-Kinase
. Sérine/Thréonine Kinase
. Tyrosine Phosphatase
. Guanylate cyclase
3 – Récepteurs couplés aux protéines-G
4 – Récepteurs associés aux protéines kinases
5 – Récepteurs nucléaires
Ch. 4. La transduction du signal
Historique
1 – Les protéines G
2 – L'adénylate cyclase
3 – Les phospholipases et phosphodiestrases
Ch. 5. Les voies de signalisation
1 – Voies de l'AMPc, du GMPc
2 – Voies du calcium
3 – Voies des MAP Kinases
Conclusion
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Introduction
Origine, Evolution et Méthodes d'étude
Les premières traces de vie sur terre remontent à environ 3,6 milliards d'années, il
s'agissait vraisemblablement d'organismes procaryotes rudimentaires, très proches
de nos bactéries actuelles.
L'accumulation de l'O2 dans l'atmosphère terrestre, il y a 2,6 milliards d'années a
permis la diversification de ces protocellules.
L'apparition des premiers organismes unicellulaires compartimentés - eucaryotes date d'environ 1,6 milliard d'années
Il a encore fallu attendre 1 milliard d'années supplémentaires, pour voir apparaître les
premiers organismes pluricellulaires, les métazoaires (animaux) et les métaphytes,
(végétaux) il y a environ 600 millions d'années.
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Le Précambrien
0,6 milliard d'années
Origine des métazoaires
1 Ga
1,6 milliard d'années
Origine des Eucaryotes
1 Ga
2,6 milliards d'années
Oxygène libre
1 Ga
3,6 milliards d'années
Origine des Procaryotes
4,6 milliards d'années
Formation de la terre
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Les données paléontologiques les plus fiables proviennent de la Faune d'Ediacara (Australie), apparue
vers −565 Ma alors que la terre réémergeait des glaces du Cryogénien.
Ces organismes pluricellulaire archaïques n'ont pas survécu à l'explosion cambrienne, qui vit apparaître à
partir de −542 Ma, de nouvelles espèces plus proches de celles que nous connaissons aujourd'hui.
Les schistes de Maotianshan ou Faune de Chengjiang sont une formation rocheuse d'environ 522 Ma
(Cambrien inférieur et moyen) dans la province de Yunnan en Chine qui montre également des
Métazoaires à corps mous ou possédant un exosquelette organique ou minéralisé.
Les schistes de Burgess dans les Rocheuses du
Canada (Parc national Yoho) ont été découverts par
Charles Doolittle Walcott en 1909 et montrent des
fossiles vieux d'environ 505 millions d'années.
D'après Jean Vannier – L'Explosion cambrienne, mythe ou réalité
http://www.futura-sciences.com/comprendre/d/dossier281-4.php
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Origine des Métazoaires :
(d'après A. El Albani et al., Nature, vol 446, pp.100-104, 2010) Pour la Science Aout 2010.
Plus récemment, 250 fossiles très anciens (de 10 à 120 mm) constitués de pyrite (disulfure de fer)
datant de 2,1 milliards d'années (2 Ga) ont été retrouvés à Franceville (Gabon).
Ils présentent des caractéristiques d'organismes eucaryotes (stérols) mais seraient
pluricellulaires !
Ce serait donc les plus vieux ancètres des métazoaires, dont la diversité a explosé au précambrien,
il y a environ 560 à 600 millions d'années.
Donc, deux questions se posent :
1/ - Pourquoi l'évolution vers des organismes pluricellulaires
et leur diversification ont-elles été aussi lentes ?
2/ - Comment se fit la transition initiale entre l'état unicellulaire et l'état
pluricellulaire ?
Autrement dit :
Quelle est l'origine des métazoaires ?
La transition unicellulaire / pluricellulaire est un processus qui se renouvelle à chaque
génération lorsqu'un embryon pluricellulaire se forme, à partir d'un œuf fécondé
unicellulaire.
On pourrait dire que chaque organisme pluricellulaire fait, en se développant, ce que firent
ses lointains ancètres en évoluant : l'ontogenèse récapitule la phylogenèse.
Cette corrélation entre Evolution et Développement fut établie en 1866 par Ernst Haeckel
dans sa théorie ou loi "biogénétique" ou encore "loi des récapitulations" désormais
mythique et tombée en désuétude.
Loi biogénétique ou loi des récapitulations (1866)
Ernst Haeckel 1834-1919
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
L'œuf des animaux se divise en cellules de plus en plus petites qui se disposent en une
sphère creuse, autour du blastocèle, et recouverte d'une garniture de cils pour se
déplacer : la blastula.
Appliquant sa loi biogénétique, Haeckel proposa que la blastula représenterait
l'équivalent embryonnaire d'un animal primitif hypothétique : "la blastae" .
Blastocèle
Blastula – "Blastae"
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Première hypothèse :
La blastae : tous les métazoaires dériveraient d'un ancètre de ce type, par division
succéssive d'une cellule originale.
Seconde hypothèse :
La propension à vivre en société !
Les organismes unicellulaires procaryotes comme les bactéries, mais surtout les
eucaryotes comme les protistes (protozoaires ou protophytes) sont capables dans
certains cas, selon leur phase de croissance, de se regrouper pour constituer de petites
colonies appellées coenobes (colonies de volvox = Volvocales, voir aussi
chlamydomonas, dictyostelium discoideum..)
Il s'agit cette fois d'une association de cellules différentes qui se regroupent et coopèrent
pour vivre en société de façon harmonieuse.
Ces protistes coloniaux pourrait
être à l'origine des organismes
pluricellulaires
Les Volvocales
Chlamydomonas augustae
Exemple de l'amibe myxomycète
Dictyostelium discoideum
Dictyostelium discoideum est un organisme eucaryote du groupe des Amoebozoa.
Cette amibe vit sur les tapis de feuilles mortes dans les forets, se nourrissant de
bactéries et de levures et présente un cycle biologique très particuliers, quand les
amibes ont épuisé la nourriture, elles se rassemblent et convergent vers un point
central, s'agrègent en une sorte de limace ou "grex" qui se transforme en un
appareil fructifère ou sporocarpe qui libèrera des spores.
On passe d'organismes unicellulaires à un organisme pluricellulaire très organisé,
grâce à la mise en place d'un véritable système de communication intercellulaire
Les amibes secrètent un messager chimioattractant qui dans le cas de Dictyostelium
discoideum est l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) émis de façon pulsatile.
Elles possèdent aussi des récepteurs à l'AMPc. L'agrégation de quelques amibes entraine
alors la formation d'une forte source d'AMPc qui attire les amibes alentours par vagues
successives, en spirale, ce qui leur permet de toutes se rassembler pour former le grex.
Time lapse (min.) data of Dictyostelium amoebae aggregating on a thin layer of agar under dark field optics.
Dark bands correspond to moving cells and indicate high cAMP concentrations.
Field is 18x18 mm. Cells plated at a density 2x106 cells cm2.
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Il aura donc fallu 1 milliard d'années pour mettre en place ….
Adhérence – Communication – Signalisation - Spécialisation
Ce qui lui permet de déterminer :
Ø sa position au sein de l’organisme
Ø  son rôle dans la colonie
Ø  le rythme de ses divisions ….
Communication intercellulaire et Signalisation intracellulaire
Cette longue maturation a permis aux cellules de
mettre en place des :
Ø molécules signal (hormone, neurotransmetteurs..)
Ø systèmes d'exocytose
Ø systèmes de transmission du message (neurones)
Ø récepteurs à la surface des cellules cibles (canaux, RCPG)
Ø récepteurs cytosoliques
Ø récepteurs nucléaires
Ø voies de signalisation intracellulaire (kinases, AMPc, Ca++)
Ø systèmes de régulation génique (facteurs de transcription
etc..
Méthodes d'étude de la signalisation
Quel que soit le signal envoyé par la cellule émettrice,
la cellule cible le perçoit grâce à une protéine particulière : un
récepteur, membranaire ou cytosolique ou nucléaire.
Le récepteur reconnaît le ligand de façon stéréospécifique
Antigène / Anticorps
Ligand / Récepteurs
Signal = ligand
Récepteur spécifique
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Paul Ehrlich, 1900
Liaison ligand-récepteur = "Binding"
Il faut noter que la plupart des molécules informatives agissent à des concentrations
extrêmement faibles, de l’ordre de 10-9 M car les récepteurs ont une très bonne
affinité pour leur ligand. On a donc deux propriétés importantes :
q  Spécificité
q  Affinité
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Interaction Ligand / Récepteur : Expérience de saturation
L = ligand, R = récepteur libre
RL = complexe ligand/ récepteur ("Bound")
K1 = constance de vitesse d'association
K-1 = constance de vitesse de dissociation
A l'équilibre : les vitesses d'association et de dissociation sont égales : K+1[L].[R] = K-1 [RL]
Kd = concentration du ligand donnant une occupation de la moitié des récepteurs
dans ce cas [R] = [RL] et [L] = Kd
B/F
Linéarisation de Scatchard pour déterminer R :
Pente = - Kd
B/F = Bound radio ligand / Free radio ligand
B = Bound radio ligand
B
Cours de Signalisation cellulaire – Pr. Jérôme Guerlotté
Université des Antilles et de la Guyane, Domaine Sciences, Technologies, Santé
Pontage covalent d'un ligand sur son récepteur
Ligand/receptor covalent affinity
cross-linking
Hepatocyte growth factor (HGF) is a secreted protein
that stimulates proliferation, migration and
morphological differentiation of a wide variety of cellular
targets.
125I-labelled
ligands, in the presence and absence of
excess unlabelled HGF isoforms, were cross-linked to
HGF receptors on B5/589 or Balb/MK cells and
observed by SDS/PAGE and autoradiography.
NK1 déplace bien la liaison en haut, IGF1 ne la déplace pas
Le peptide de synthèse déplace parfaitement la liaison
NK2 déplace un peu la liaison à gauche (souris B5) et
très bien à droite ppour les souris Balb/MK
IGF1 ne déplace pas la liaison ni à gauche, ni à droite
Development of a Small Molecule Inhibitor of IL-1 Receptor
Quiniou et al., (2008) Semin. Perinatol. 32:325-333
Inflammation participates in the genesis and progression of hypoxic-ischemic brain
injury. Interleukin (IL)-1 is a major pro-inflammatory cytokine, which plays a dominant
role in hypoxic-ischemic (and postinfectious) brain damage. Abundant evidence reveals
the principal involvement of IL-1 over other pro-inflammatory cytokines.
IL-1 exerts its biological effects by interacting with the IL-1 receptor type I (IL-1RI),
which is composed of a ligand-binding subunit and a signaling subunit named
(IL-1R accessory protein [IL-1RacP]).
The natural IL-1 receptor antagonist (IL-1ra) is a large 17.5-kDa peptide that competes
with IL-1 for its binding site on IL-1RI. Recombinant IL-1ra (Kineret) is effective in
human inflammatory conditions. However, a number of drawbacks of IL-1ra limit its
broader use; these include injection site reactions, broad immunosuppression, and high
costs.
We hereby report the characterization of a small (peptide) IL-1RI antagonist
we developed, namely rytvela (termed 101.10), and its efficacy in models of (gut)
inflammation and of newborn hypoxic-ischemic brain injury.
Experiments reveal that 101.10 is selective for the IL-1RI and inhibits to a variable
extent different effects induced by IL-1.
Figure 2 : Binding of [125I]101.10.
(A) Western blot of IL-1R in thymocytes from wild-type and IL-1RI (-/-) animals.
(B) Saturation isotherm of [125I]101.10 in thymocytes from wild-type and IL-1RI (-/-) mice.
Values are mean + SEM of percent of maximum binding in three experiments each
performed in duplicate.
(C) Representative (of n=3) autoradiogram of electrophoresed (non reducing conditions)
[125I]101.10 (100 nM)-bound cells following chemical cross-linking of IL-1RI-expressing (+/+)
and IL-1RI-devoid (-/-) thymocytes using the 11 Å BS3 cross-linker ;
superimposition of immunoblot for IL-1RI reveals full IL-1RI and its subunit(s) in IL-RIexpressing cells, and totally clear autoradiogram in IL-1RI-devoid cells.