Protéines « GTP-Binding » en Signalisation cellulaire

Protéines « GTP-Binding » en Signalisation Cellulaire
• Elles sont aussi appelées les GTPases et les Protéines G
• Leur utilisation est dans les voies d’activation et désactivation par l’échange de
GTP/GDP et l’hydrolyse de GTP  GDP + Pi
• Participation dans diverses voies de signalisation cellulaire
• Au moins quatre Superfamilles de protéines de type « GTP-Binding »
• « Small GTPases » (GTPases Monomériques)
• Protéines G trimériques
• Facteurs d’élongation -- Important en Synthèse des Protéines
• « Dynamin-Related » -- Important en Endocytose et Autres Fonctions
Aspects communs
• Domaine central homologue qui lie GDP ou GTP
• Cycle enzymatique commun
• Liaison d’un GTP et son hydrolyse – Dissociation du produit régule l’état
« On » et « Off » - designé comme « Switch »
• Conformation de la GTPase est dépendante de la présence de GTP ou GDP dans
le site de liaison
• La forme liant GTP est typiquement « Active » et interagit avec des
effecteurs
• La forme liant GDP est typiquement « Inactive » et n’interagit pas avec des
effecteurs
Concentration sur deux Super-familles GTPase:
• GTPases Monomériques (Small GTPases)
• Associées avec des fonctions cellulaires diverses
• Une seule sous unité participe à l’activation/désactivation
• Protéines G Trimériques
• Associées avec des récepteurs transmembranaire à sept hélices (« GProtein Coupled Receptors » ou GPCR) et à la signalisation « en aval »
• Trois sous unités distinctes participent à l’activation/désactivation
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Signalisation cellulaire par GTPases – Introduction
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GTPase Monomérique (« Small GTPases »)
• Six Familles
• Arf -- Formation des vésicules
• Rab – Ciblage et fusion des vésicules
• Ran -- Transport nucléaire
• Ras -- Transduction des signaux des facteurs de croissance
• Rho -- Régulation du cytosquelette d’actine
• Sar -- Formation vésiculaire
Cycle de la GTPase Monomérique
Protéines régulatrices additionnelles
Hydrolyse d’un GTP
Inactif
Guanine
Exchange
Factor
GTPase
Activating
Protein
Guanine
Dissociation
Inhibitor
Échange de
GDP pour GTP
Actif
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Régulation de Ras
• Ras est ancré du coté cytoplasmique de la membrane plasmique par un
groupement lipidique covalement attaché
• Ras fait la liaison entre la signalisation par un récepteur à type tyrosine kinase
activé et des protéines « en aval » dans les voies de signalisation avec comme
résultat une prolifération cellulaire
• État normal, Ras est inactif et lié avec GDP
• Un signal extracellulaire active la récepteur proximal de Ras
• Recrutement d’une protéine adaptatrice (Grb-2) et une Ras-dépendante
GEF (SOS)
• L’échange de GDP pour GTP a lieu
• Ras est maintenant activé et la signalisation se poursuit
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Protéines G Trimériques
• Les protéines G sont composées de trois sous unités : Gα, Gβ, Gγ
• Chez les mammifères, 16 Gα, 6 Gβ, et 12 Gγ identifiées
• 1,152 Combinaisons de « Protéine G » possibles; ~ 20 identifiées
• Les protéines G se lient aux GPCR
• Les familles des protéines G sont identifiées par leur sous unité Gα
• Les familles de « Protéine G » inclues :
Famille
# Identifié
Effecteurs typiques
Gia
7
Adénylate Cyclase (Inhibiteur), Canaux ioniques
Gqa
5
Activation de PLCβ (niveau d’IP3 augmenté)
Gsa
3
Adénylate Cyclase (Activé)
Gta
2 (Transducine)
Activation PDE (réduction en cGMP)
G13a
2
Activation « GTPases monomériques » (Rho)
Golfa
Activation Adénylate Cyclase (Odorants)
Protéines G trimériques en état de repos
• L’attachement de la protéine G à la membrane plasmique du coté cytoplasmique
se fait par des modifications covalentes des sous unités α et γ
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Cycle des Protéines G trimériques
• Activation d’une sous unité est similaire aux « GTPases monomériques »
• Échange de GTP / GDP – stimulé par l’interaction avec GPCR (Analogie avec le
facteur GEF)
• À noter que « l’activation » des protéines G trimériques provoque la dissociation
de Gα de Gβγ
• Gα et Gβγ représentent 2 unités de signalisation distinctes
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• Désactivation (« Switch ») de la sous unité α est similaire aux « GTPases
monomériques »
• Hydrolyse de GTP en GDP
• Modulation de l’hydrolyse par des « Régulateurs of G-Protein Signaling »
(RGS) (analogie avec GAP)
• Les récepteurs ciblés peuvent agir comme des RGSs
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• La protéine G est complètement inactivée lors de la formation du complexe
trimérique Gαβγ
Maladies associés avec les protéines liant GTP
• Choléra-- -ribosylation par l’ADP rend Gsα dans un état constitutif « On » dans
les cellules épithéliales intestinales avec résultat le transport anormal des sels et de
l’eau
• Adénomes pituitaire et thyroïdien - Mutations ponctuelles somatiques rendent
Gsα dans un état constitutif « On » amenant une sécrétion augmentée des
hormones
• Ras -- Mutations ponctuelles spécifiques produisent l’état constitutif « On »;
Prolifération cellulaire augmentée; ~ 25% des cancers ont une mutation en Ras
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Signalisation par activité enzymatique – Transducine
Anatomie de la détection des photons par les cellules rétiniennes de type bâtonnet
• Les cellules de la rétine chez les vertèbres servent à détecter la lumière
• Elles possèdent une structure anatomique hautement spécialisée pour la
signalisation cellulaire
• Le segment extérieur « outer » consiste en un tas de membranes
intérieures (disques) où sont captés les photons
Gtαβ
• Le segment intérieur « inner » entretient les fonctions cellulaires
• La machinerie de la transduction du signal inclue les protéines suivantes :
Rhodopsine (« GPCR »), protéines G, guanylate cyclase (activé par Ca2+),
un système de transport de Na+ - cGMP dépendant « CNG - Cyclic
Nucleotide Gated » qui consiste en un canal Na+, un échangeur Na+/Ca2+
et une pompe de Na+)
• État de repos : Membrane cellulaire polarisée et sécrétion constitutive de
glutamate
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Signalisation cellulaire par GTPases – Transducine
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Détection de photons par les cellules de type bâtonnet : Activation de la signalisation
1) Interaction du photon avec le récepteur rhodopsine
2) L’association du complexe Gt-alpha-GDP (transducine) sous forme d'hétérotrimère au
récepteur photoactivé qui suscite
● l'échange de GDP en GTP du sous unité α provoquant
o la libération de la protéine G du récepteur
o le déplacement des sous unités βγ de l'hétérotrimère
3) Dans cette forme activée, le complexe Gt-alpha-GTP compétitionne pour les sous-unités
γ de la cGMP-PDE (αβγ2) (PDE = phosphodiestérase), formant le complexe Gt-alpha-GTP
– cGMP-PDE (γ2)
4) Les sous-unités αβ de la cGMP-PDE activée par ce fait décroît la concentration en
cGMP cytoplasmique
5) Provoquant ainsi la fermeture des canaux cationiques spécifiques et cGMP
dépendants (CNG)
6) L'hyperpolarisation de la cellule rétinienne (bâtonnent) est créée le long de la membrane et inhibe la sécrétion du
transmetteur glutamate à l’autre bout de la cellule
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Signalisation cellulaire par GTPases – Transducine
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Détection de photons par les cellules de type bâtonnet : Régulation
Comment les cellules de type bâtonnet sont-elles capables de détecter un seul photon ?
• Les récepteurs rhodopsine contiennent un chromophore 11-cis rétinal attaché de façon covalente (Ce
chromophore est extrêmement stable; isomérisation en trans < 1 molécule sur 4 x 1010 en absence d’un photon)
• Amplification des voies de signalisation due à l’empilement des disques
• Les disques contiennent des concentrations élevées en rhodopsine (représente jusqu’à 90% des protéines
membranaires; 45% de la masse membranaire des disques)
• Un seul photon transforme 11-cis rétinal en « all-trans » rétinal
• Ce changement du pigment rétinal provoque un changement conformationel en rhodopsine « Metarhodopsine II »
• L’état activé de rhodopsine est en mesure d’activer 1000 (ou plus) protéines G
• Les protéines G à leur tour activent un nombre similaire de PDE (phosphodiestérase)
• Les PDEs activées dégradent 50,000 molécules de cGMP en GMP, fermant ainsi une centaine de canaux CNG,
chacun de ceux-ci transportant > 10,000 ions
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Détection de photons par les cellules de type bâtonnet : Régulation
• Durée du signal ~ 2 secondes
Comment ces cellules sont-elles remises à leur état de repos ?
• Phosphorylation de la « Metarhodopsine II » par une rhodopsine kinase permettant la
liaison d’arrestine
• Une protéine régulatrice de signalisation de protéine G (RGS) interagit avec Gt-alpha et
augmente son activité GTPase
• Le changement en concentration [Ca2+] intracellulaire (dû à la fermeture du canaux CNG)
stimule la guanylate cyclase à synthétiser cGMP afin de restaurer le potentiel
membranaire de base
• Sécrétion du glutamate restituée
• Élimination de l’« all-trans » rétinal du récepteur
• L'hydrolyse de GTP  GDP + Pi libère les sous-unités gamma attachées au complexe
Gt-alpha-GDP permettant ainsi la reconstitution de l'holoenzyme de cGMP-PDE (alphabeta-gamma2) et le Gt-alpha-beta-gamma-GDP hétérotrimère afin de recommencer le cycle de
signalisation
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