17 Récepteurs et médiateurs

I. Introduction à la signalisation cellulaire

IV. Médiateurs (ou seconds messagers)

V. Voies de signalisation et intégration des signaux

Ce chapitre est une introduction à la signalisation cellulaire, branche de la biologie cellulaire qui s’intéresse aux mécanismes d’échanges de signaux entre les cellules. Cela nécessite des molécules qui transmettent les signaux, les premiers messagers qui sont de différente nature, et d’autres molécules qui reçoivent ce premier signal, les récepteurs, qui sont des protéines membranaires ou cytoplasmiques. La liaison du signal sur son récepteur engendre toute une série de réactions intracellulaires qui mènent à des effets cellulaires particuliers, par exemple sur la croissance, la différenciation ou encore la motilité des cellules. Le plus souvent ces réactions cellulaires mettent en jeu de nombreuses protéines, dites de la signalisation, ainsi que des petites molécules qui apparaissent comme des seconds messagers ou des médiateurs. Avant de faire l’inventaire des récepteurs, médiateurs et autres protéines de la signalisation, nous verrons les méthodes d’étude de la liaison du premier messager sur son récepteur et des effets induits.

I Introduction à la signalisation cellulaire

A Définitions

Récepteur : molécule présentant la propriété de transmettre un message (ou signal) suite à la liaison spécifique du premier messager ; le récepteur réceptionne le signal et transmet le message. Il est de nature protéique, soit c’est une protéine membranaire (souvent oligomérique, un dimère par exemple), on parle alors de récepteur membranaire , soit c’est une protéine soluble dans le cytosol, et on parle de récepteur cytoplasmique .

Transduction des signaux : le récepteur, activé par la liaison du messager, va à son tour activer des molécules intracellulaires, que l’on appelle des transducteurs ; en font partie les médiateurs et de nombreuses protéines de la signalisation , c’est la transduction des signaux . La phase finale, dite effectrice, mène aux effets cellulaires induits spécifiquement, c’est la réponse biologique spécifique à la reconnaissance du récepteur par le signal initial (fig.17.1).

Fig. 17.1 Les quatre étapes mises en œuvre dans la signalisation cellulaire.

Source : Pollard TD, Earnshaw WC. Biologie cellulaire. Coll. Campus. Elsevier ; 2004.

Signaux et messagers primaires : les récepteurs membranaires vont lier les signaux (ou premiers messagers) hydrophiles, solubles dans la phase aqueuse extracellulaire, il s’agit de peptides, de petites protéines ou d’amines biologiques. Les récepteurs cytoplasmiques ne lient que les molécules capables de traverser la membrane plasmique de nature lipidique, c’est-à-dire des messagers hydrophobes (ou lipophiles), comme les hormones stéroïdiennes et certaines vitamines solubles dans les graisses (fig.17.2).

Fig. 17.2 Schéma général de transduction du signal selon la nature du ligand (hormone).

Illustration : Hélène Founié.

B Origine des signaux

Les signaux endocrines : sont émis par des cellules qui sont éloignées des cellules cibles porteuses du récepteur spécifique. En particulier, un système sanguin véhicule le signal (souvent une hormone ) du système émetteur (le tissu sécréteur de l’hormone ou organe endocrine) au système receveur (le tissu cible de l’hormone) (fig.17.3). Si c’est une hormone peptidique, elle sera normalement soluble dans le plasma sanguin et se fixera sur son récepteur membranaire dans le tissu cible. Si l’hormone est hydrophobe, elle sera transportée dans le plasma par une protéine dite de transport, souvent spécifique ; l’hormone passera la membrane plasmique de la cellule cible pour se fixer sur son récepteur cytoplasmique. L’activation de ce récepteur par l’hormone va induire sa migration dans la matrice nucléaire en passant à travers les pores nucléaires ; pour cette raison, on les appelle aussi récepteurs nucléaires .

Fig. 17.3 Signaux endocrines, paracrines et autocrines.

Source : Maillet M. Biologie cellulaire. 10^e éd. Masson ; 2006.

Les signaux paracrines : sont émis par des cellules qui sont voisines des cellules cibles porteuses du récepteur spécifique, ou d’une cellule nerveuse vers sa cellule cible ; dans le premier cas le messager est chimique (hydrophile ou lipophile), dans le deuxième cas il est électrique, c’est le modèle de la réception synaptique (neurotransmission).

Les signaux autocrines : sont émis par les mêmes cellules qui les reçoivent ; cela correspond à une autorégulation entre cellules voisines de même type. La transmission du signal peut être contact dépendante.

C Mécanismes d’activation et de régulation

Deux grands types de mécanismes gouvernent l’activation des molécules de la transduction du signal, la voie du calcium et la phosphorylation. La première est très particulière car l’ion Ca²⁺ est à la fois le second messager et le transducteur ; il active directement des protéines effectrices. La seconde est beaucoup plus élaborée avec parfois la formation de cascades de phosphorylations incriminant jusqu’à une dizaine de protéines transducteurs. Les phosphorylations sont catalysées par des kinases et les déphosphorylations par des phosphatases , ce sont toutes des phosphotransférases. De nombreux mécanismes de la transduction du signal et de sa régulation passent par des jeux d’activation et d’inhibition de protéines par ces kinases et phosphatases. La phosphorylation peut être activatrice pour une protéine et inhibitrice pour une autre. La phosphorylation est une modification post-traductionnelle des protéines ; elle se fait par l’ATP (donneur universel de phosphate), sans apport extérieur d’énergie :

Les résidus cibles des kinases sont :

• la sérine (Ser, S) par son groupement alcool primaire − CH₂-OH ;

• la thréonine (Thr, T) par son groupement alcool secondaire − CHOH-CH₃ ;

• la tyrosine (Tyr, Y) par son groupement phénol − ϕOH ;

• l’histidine (His, H) par le groupement amine secondaire de l’imidazole − NH.

On parle de Ser/Thr-kinases, de Tyr-kinases et d’His-kinases selon le résidu cible phosphorylé.

Pour certains types de récepteurs membranaires, après fixation du messager et transduction du signal, le récepteur est endocyté pour être dégradé dans le lysosome ou recyclé à la membrane, donc sans dégradation dans les lysosomes (fig.17.4). Il pourra de nouveau fixer une molécule du messager et transmettre le message. C’est un mécanisme de régulation en boucle.

Fig. 17.4 Recyclage du récepteur par endocytose induite.

Illustration : Hélène Founié.

D Méthodes d’étude des récepteurs

1 Notion de ligand

C’est une molécule capable de se lier sur une molécule réceptrice, dans notre propos cette dernière est le récepteur et le ligand le messager chimique. La liaison du ligand sur le récepteur est spécifique, mais dans certaines limites ; en effet certains ligands de structures voisines se lient sur le même récepteur, et certains récepteurs de structures proches (sous-types) peuvent lier le même ligand. La liaison est réversible ; en effet elle se fait par des liaisons faibles, les mêmes qui sont responsables des structures secondaire, tertiaire et quaternaire des protéines (liaisons ioniques, hydrogène, hydrophobes…) ; toutes ces liaisons sont sensibles au pH (elles disparaissent à pH très acide). La réversibilité de la liaison du ligand sur son récepteur est gouvernée par la loi d’action de masse . Si la liaison du ligand sur son récepteur l’active on dit que le ligand est un agoniste ; sinon il est antagoniste en s’opposant à la liaison de l’agoniste (souvent en compétition l’un de l’autre). Parfois la liaison du ligand entraîne une modification conformationnelle du récepteur modifiant sa capacité de liaison, on parle de coopérativité par effet allostérique (comme pour les enzymes). Augmentant la capacité de liaison, la coopérativité peut être positive ou négative en la diminuant.

2 Purification des récepteurs

Les récepteurs cytoplasmiques sont purifiés à partir du cytosol (ou leur forme nucléaire activée à partir de noyaux), et les récepteurs membranaires le sont à partir des membranes ce qui peut s’avérer plus difficile (voir chapitre 4, p. 57 à 59). L’étape finale du protocole de purification est souvent une chromatographie d’affinité (fig.17.5).

Fig. 17.5 Purification d’un récepteur par chromatographie d’affinité.

A. Récepteur à purifier et sont ligand.

B. Chromatographie sur colonne pour purifier le récepteur (protéine recherchée). Par exemple, purification du récepteur de l’insuline en immobilisant l’insuline sur la colonne du chromatographe.

Source : Karp. Biologie cellulaire et moléculaire. 2010, Éditions de Boeck pour la langue française ; Éditions Wiley and Sons pour la langue anglaise.

3 Études de liaison

c Approche de Scatchard

Par linéarisation mathématique de l’isotherme de Langmuir (fig.17.6B), détermination facile de Bmax et K_D ; Bmax = nR₀ (nombre n de sites unitaires R₀) ou R_t (nombre des sites totaux).

e Mesure de B et L par dialyse à l’équilibre

Les compartiments A et B sont séparés par une membrane semi-perméable, seul L peut diffuser librement (fig.17.8). Prenons l’exemple de la liaison du bis-phosphoglycérate marqué au phosphore 32 (³²P-BPG) sur l’hémoglobine (Hb) ; l’Hb est placée en solution dans le compartiment A, et le ³²P-BPG en solution dans le compartiment B. Le ³²P-BPG diffuse librement à travers la membrane qui sépare les deux compartiments, alors que l’Hb n’en est pas capable. Le ³²P-BPG se lie sur l’Hb en fonction du K_D, et à l’équilibre se trouve dans A et B. On mesure la radioactivité dans A et B, dans B directement puisque le ³²P-BPG est en solution libre, mais après séparation du lié et du libre (ex. : par centrifugation) dans le compartiment A, puisque le ³²P-BPG se trouve sous les deux formes (lié et libre). Comme, à l’équilibre, il a autant de ³²P-BPG libre dans A et B, le ³²P-BPG lié est la quantité de radioactivité mesurée dans A moins celle mesurée dans B ; et pour réaliser la représentation de Scatchard, on fait :