Signalisation et Régulation de l’activité Génique - Récepteurs membranaires et molécules de signalisation intracellulaires

Récepteurs membranaires et molécules de signalisation intracellulaires

Plan

• Récepteurs (caractéristiques et classification)
• Récepteurs canaux ioniques
• Récepteurs couplés aux protéines-G (RCPG)
• Récepteurs enzymes:
  • Tyrosine-Kinase
  • Sérine/Thréonine Kinase
  • Tyrosine Phosphatase
  • Guanylate cyclase
• Récepteurs associés aux protéines kinases (RCTK, RCSTK)
• Récepteurs nucléaires

Récepteurs

• En amont des voies de signalisation des médiateurs intercellulaires (hormones, neuromédiateurs, cytokines, facteurs de croissances…), on trouve les récepteurs de ces ligands.
• Ces récepteurs ont 2 fonctions complémentaires:
  • Reconnaître spécifiquement leur ligand.
  • Initier la stimulation d’une ou de plusieurs voies de signalisations.
• Ce sont des protéines ou des glycoprotéines de grandes tailles possédant plusieurs domaines, dont un site de liaison pour leur ligand et un ou plusieurs autres interagissant avec des partenaires en aval.
• Les récepteurs appartiennent à deux grands ensembles:
  • Les récepteurs membranaires
  • Les récepteurs nucléaires

Caractéristiques des récepteurs

• Spécificité: fixe un type de ligand donné.
• Affinité: fixe ce ligand à faible (voire très faible) concentration.
• Réversibilité: liaison non covalente, dissociation du complexe ligand-récepteur lorsque la concentration du ligand diminue.
• Saturabilité: nombre limité de molécules de récepteur, donc nombre limité de ligands pouvant se fixer.
• Couplage: la fixation du ligand au récepteur transmet un signal à la cellule (caractéristique la plus importante).

Interaction récepteurs/ligands

• Un récepteur peut interagir avec plusieurs ligands.
• Un ligand peut interagir avec plusieurs récepteurs.
• Un ligand et un récepteur peuvent entraîner plusieurs effets (cellules).
• Effet cellulaire = F (récepteur, ligand, type cellulaire).
• Il existe des interactions entre les voies de signalisation.

Notion de ligand agoniste/antagoniste

• La transmission des signaux forme un réseau interconnecté.

Divergence

• Un même récepteur peut initier des voies de signalisations différentes.

Convergence

• Une même voie de signalisation peut être initiée par des récepteurs différents.

Interférence

• Une voie de signalisation peut influer sur une autre, voire sur un autre récepteur, dans des types cellulaires différents, voire dans un même type cellulaire.

Classification des récepteurs

• Les récepteurs sont classés en 2 groupes selon leur localisation:
  • Les récepteurs membranaires (RM, de surface).
  • Les récepteurs nucléaires (RN, cytosoliques à translocation nucléaire, intracellulaires).

Réponse cellulaire aux différents signaux

Messagers

• Liposolubles: Hormones stéroïdes, Hormones thyroïdiennes, Rétinoïdes, Certains Gaz (NO, CO).
• Hydrosolubles: Hormones peptidiques et protéiques, Neurotransmetteurs, Cytokines, Facteurs de croissance.
• Exception: Les prostaglandines (médiateurs liposolubles) interagissent avec des récepteurs membranaires.
• Les hormones stéroïdes et thyroïdiennes interagissent aussi avec des récepteurs non nucléaires (membranaires).
• Un messager chimique est tout composé qui sert à transmettre un message. Il peut s'agir de signaux lumineux (photons) ou électrochimiques (ions et leur charge électrique).

Types de Récepteurs membranaires

• Récepteurs canaux ioniques (RCI) ou R ionotropiques.
• Récepteurs non canaux ioniques (R métabotropiques).
  • Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG).
  • Récepteurs non couplés aux protéines G (RnonCPG).
    • Effecteurs Enzymes.
      • Protéines kinases (R PK).
        • RTK (Récepteur Tyrosine Kinase).
        • RSTK (Récepteur Sérine/Thréonine Kinase).
        • RCTK/RCSTK (Récepteurs associés aux protéines kinases).
      • R non PK (Récepteur non Protéine Kinase).
      • RCE (Récepteur Canal Enzyme).
      • RGC (Récepteur Guanylate Cyclase).
      • TNFR/RCP (+).
    • Canal ionique.
    • Autres.

Types de Récepteurs membranaires

• Récepteurs canaux ioniques ou R ionotropes:
  • La liaison d’un ligand ouvre ou ferme le canal.
• Récepteurs 7 TMS/RCPG (Récepteurs couplés au Protéines G):
  • La liaison d’un ligand à un RCPG modifie une activité enzymatique ou ouvre un canal.
• Récepteurs 1TMS/R Enzymes ou couplés à des enzymes:
  • La liaison d’un ligand sur le R à activité enzymatique ou couplé à une enzyme active une enzyme ou protéine intracellulaire.

Récepteurs canaux ioniques

• Les canaux membranaires forment des pores permettant le passage d’ions du cytoplasme vers l’extérieur ou l’inverse en fonction des concentrations relatives de l’ion considéré de chaque côté.
• Une cellule peut posséder plus de 300 types de canaux ioniques différents.
• L’ouverture de ces canaux dépend de:
  • La liaison d’un ligand extracellulaire (ligand-gated channels).
  • Potentiel électrique entre les deux faces de la membrane plasmique (voltage-gated channels).
  • Divers facteurs physiques (lumière, tension mécanique, température,…).
  • Facteurs intracellulaires (seconds messagers intracellulaire, protéine G…).
• Certains récepteurs canaux ne sont pas sur la membrane plasmique mais sur les membranes intracellulaires (réticulum endoplasmique, golgi, mitochondrie,…).
• Il existe une classe particulière de canaux ioniques : les connexines des jonctions communicantes. Ces canaux font communiquer une cellule avec une autre, alors que les canaux ioniques classiques font communiquer la cellule avec son extérieur.

Ouverture et fermeture de canaux

• Ouverture contrôlée par un ligand.
• Les ligands sont soit extracellulaires (neurotransmetteurs) soit intracellulaires (ions: $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Cl^-$).
• Participent aux échanges ioniques passifs (dans le sens de gradient de concentration) à travers les MB biologiques.
• Permettent le maintient du potentiel membranaire.
• Ils ont un rôle central dans la physiologie des cellules excitables comme les neurones ou les cellules musculaires et cardiaques.
• Ils jouent aussi un rôle crucial dans la physiologie des reins.

Récepteurs canaux ioniques ligand-dépendants: ionotropiques

• Classés en 3 groupes selon leur structure:

Récepteurs ionotropiques

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

Récepteurs nicotinoïdes: récepteurs à boucle Cys

• Structure pentamérique (présence d’une boucle de Cys dans le domaine extracellulaire).
• Chaque monomère présente 4 hélices transmembranaires (4TM).
• On distingue 2 sous familles en fonction des ions :
  • Récepteurs cationiques ($K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$):
    • Les nAchR à $Na^+$, $Ca^{2+}$;
    • Les 5-HT3 à $Na^+$, $Ca^{2+}$;
  • Récepteurs anioniques ($Cl^-$):
    • Les GABA-A à $Cl^-$;
    • GlyR à $Cl^-$.
• Neurones, Muscles striés.

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

Récepteurs cationiques

• Récepteur nicotinique de l’acétylcholine (nAchR): $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$
  • Structure pentamérique (présence d’une boucle de Cys dans domaine extracellulaire).
  • Chaque monomère présente 4 hélices transmembranaires (4TM).
  • Récepteurs cationiques ($K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$):
    • Les nAchR à $Na^+$, $Ca^{2+}$;
  • L'acétylcholine (ACh) est un neurotransmetteur important pour la mémoire et l'apprentissage dans le système nerveux central, ainsi que pour l'activité musculaire et les fonctions végétatives dans le système nerveux autonome.
  • R Allostérique.

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

Récepteurs cationiques

• Récepteur de la sérotonine 5-HT3: $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$
  • Structure pentamérique (présence d’une boucle de Cys dans domaine extracellulaire).
  • Chaque monomère présente 4 hélices transmembranaires (4TM).
  • Récepteurs cationiques ($K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$):
    • Les 5-HT3 à $Na^+$, $Ca^{2+}$;
  • La sérotonine (5-HT) est une monoamine de la famille des indolamines. C'est un neurotransmetteur/hormone synthétisé par la glande pinéale.

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

Récepteurs anioniques

• Récepteur de Glycine GlyR :$Cl^-$
  • GlyR est un récepteur pentamérique (4TMS chaque monomère).
  • Structure pentamérique (présence d’une boucle de Cys dans domaine extracellulaire).
  • Chaque monomère présente 4 hélices transmembranaires (4TM).
    • Récepteurs anioniques ($Cl^-$):
      • Les GABA-A à $Cl^-$;
      • GlyR à $Cl^-$.
  • la glycine joue souvent un rôle inhibiteur à différents niveaux.
  • La glycine induit le passage d’ions chlorure ($Cl^-$) dans le cytoplasme cellulaire.
  • Gly neurotransmetteur inhibiteur

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

Récepteurs anioniques

• Récepteur de GABA GABAA :$Cl^-$
  • GABAA est un récepteur pentamérique (4TMS chaque monomère).
  • Structure pentamérique (présence d’une boucle de Cys dans domaine extracellulaire).
  • Chaque monomère présente 4 hélices transmembranaires (4TM).
    • Récepteurs anioniques ($Cl^-$):
      • Les GABA-A à $Cl^-$;
      • GlyR à $Cl^-$.
  • le GABA joue souvent un rôle inhibiteur dans les neurones GABAergiques.
  • Le GABA induit le passage d’ions chlorure ($Cl^-$) dans le cytoplasme cellulaire.
  • Récepteur Allostérique

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

• Le récepteur de Glutamate iGluR appartient à la famille des récepteurs membranaires canaux ioniques (ionotropiques) : $Na^+$, $Ca^{2+}$ (influx), $K^+$ (efflux).
  • Le iGluR est un homo-hétéromérique (Chaque monomère présente 3 hélices transmembranaires (3TM).
  • On distingue 3 groupes selon leur agonistes sélectifs à $Na^+$, $Ca^{2+}$:
    • Les AMPAR ou iGluA (α-amino- 3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole proprionate acid receptor);
    • Les NMDAR ou iGluN (N- methyl-D-Aspartate receptor);
    • Les KAR ou iGluK (Kainic acid receptor).
  • R bloqué par $Mg^{2+}$ (NMDA) à l’état de repos.
  • Nécessite la glycine pour leur activation.
  • Le récepteur de Glutamate iGluR

Récepteurs canaux ioniques- ionotropiques

Récepteurs sensibles à l’ATP (P2X à récepteurs purinergiques)

• Structure hétértrimérique.
• Chaque monomère présente 2 hélices transmembranaires (2TM).
• Conductance cationique non sélectifs $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$ à un influx de [$Ca^{2+}$ / $Na^+$] et un efflux de $K^+$.
• L’ATP libéré en condition de stress cellulaire à constitue un signal de danger. $Ca^{2+}$ $Na^+$ $K^+$.
• Nociception: Réaction des récepteurs sensitif provoquée par des stimulus qui menacent l’intégrité de l’organisme

Exemple de Récepteurs ionotropes cibles de médicaments

Récepteurs canaux ioniques activés par médiateurs intracellulaires

• Leurs ligands ne sont pas des médiateurs extracellulaires mais des seconds messagers. Il s’agit de:
  • Récepteur de l’IP3 (IP3R) à Réticulum endoplasmique
  • Récepteur de la ryanodine (RyR) à Réticulum sarcoplasmique (muscle)
  • Canaux chlorures calcium-dépendants (CaCC) ou AMPc/PKA-dépendants présents sur la membrane plasmique.
    • Récepteur de l’IP3 (IP3R) à Réticulum endoplasmique
    • Ce sont des protéines à 6 passages transmembranaires s’associant en tétramères pour former le canal calcique dont l’ouverture est dépendante de la liaison de l’IP3.
    • Canaux calcique voltage- dépendants

Récepteurs canaux ioniques activés par médiateurs intracellulaires

• Récepteur de la ryanodine (RyR) à Réticulum sarcoplasmique (muscle)
  • Ce sont des homotétramères, formés de 4 sous-unités identiques dans la membrane sarcoplasmique dont chaque monomère comporte 4helices transmembranaires qui ouvrent le canal permettant la sortie du calcium du RE vers le cytoplasme.
  • Le principal ligand provoquant l’ouverture du canal est le $Ca^{2+}$;
  • La ryanodine est un alcaloïde extrait de plantes qui modifie le fonctionnement de certains canaux calciques intracellulaires comme ceux portés par le réticulum sarcoplasmique et appelés récepteurs de la ryanodine (RyR).
  • Dépolarisation de Mb mycocytes

Récepteurs canaux ioniques activés par médiateurs intracellulaires

• Canaux chlorures calcium-dépendants (CaCC) : 8TMS
• Canaux chlorures AMPc/PKA-dépendants:12TMS
• Canal chlorure CFTR: Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator
  • Des mutations du canal CFTR conduisent à la mucoviscidose (viscosité du mucus pulmonaire et digestif)

Récepteurs canaux ioniques dépendants directement ou indirectement de RCPG

Schéma de signalisation

• Signaux externes / stimuli / stress
• Effecteurs primaires
• Réponse cellulaire
• Transduction du signal via messagers secondaires
• Implique un récepteur membranaire, un canal, une protéine G, une enzyme

Récepteurs canaux ioniques dépendants directement ou indirectement de RCPG

Exemple 1: Récepteur métabotropique GABAB: R7TMS (RCPG)

• ↓libération de neurotransmetteurs (noradrénaline, de glutamate, de dopamine ou de sérotonine )
• ↓$Ca^{2+}$
• ↓libération de neurotransmetteurs (noradrénaline, de glutamate, de dopamine ou de sérotonine)
• ↓AMPc
• Hyperpolarisation des neurones postsynaptiques ↑$K^+$
• Go Gi Go
• Inhibition de la neurotransmission

Récepteurs canaux ioniques dépendants directement ou indirectement de RCPG

Exemple 2:

• Activation direct par le dimère βγ de la protéine G hétérotrimérique
  • Activation ou inactivation des canaux ioniques de la MP.
    • Ex: Récepteur Muscarinique M2 de l’Acétylcholine (muscles cardiaques).
    • Dimère βγ provoque l’ouverture des canaux $K^+$ à Efflux de $K^+$.
    • La muscarine est un alcaloïde toxique extrait de champignons vénéneux.
  • Activation indirect par la sous unité α de la protéine G hétérotrimérique

Récepteurs canaux ioniques dépendants directement ou indirectement de RCPG

Exemple 3:

• Voie phospholipase C, PLC: activation indirect par second messager