Principes de la signalisation cellulaire et récepteurs membranaires

1. Généralités

A. Principes de la signalisation cellulaire

• La signalisation cellulaire est un ensemble de mécanismes permettant à la cellule et à l'organisme d'interpréter les signaux externes et d'y répondre par des modifications de comportement (ex: prolifération, différenciation, sécrétion d'hormones).
• La cellule répond à un signal extracellulaire (souvent hydrophile et ne pouvant pas pénétrer directement) par l'intermédiaire d'un récepteur spécifique.

Diversité des médiateurs extracellulaires et des modes de signalisation

• Les signaux extracellulaires sont de nature très variée :
  • Signaux physiques : photons, signaux mécaniques, température.
  • Molécules chimiques : gaz, petites molécules (ions, acides aminés, acétylcholine, dérivés lipidiques), protéines solubles (insuline, GH), protéines liées aux surfaces cellulaires ou à la matrice extracellulaire.
• Les molécules hydrophobes diffusent généralement à travers la membrane plasmique et se lient à des récepteurs intracellulaires.
• Les signaux se transmettent localement ou à distance :
  • Autocrine : la cellule sécrète le médiateur qui se fixe sur son propre récepteur.
  • Paracrine : le médiateur se fixe sur une cellule voisine.
  • Endocrine : le médiateur (hormone) est transporté par le sang pour agir sur des cellules cibles éloignées.
  • Synaptique : transmission rapide et spécifique entre neurones via des neurotransmetteurs.

Spécificité du signal : spécificité de la liaison ligand-récepteur

• La liaison ligand-récepteur est stéréospécifique, impliquant des interactions faibles (non covalentes).
• Cette liaison est spécifique, réversible et saturable (nombre fini de récepteurs).
• La liaison du ligand induit souvent une dimérisation du récepteur et un changement de conformation.
• Un ligand peut lier plusieurs récepteurs avec des affinités différentes.
• Un récepteur peut lier plusieurs ligands avec des affinités différentes.

B. Bases de la signalisation par les récepteurs membranaires

Cascade de signalisation

• La signalisation implique une cascade qui permet l'amplification et la compartimentalisation du message, menant à des réponses rapides ou lentes.
• Les seconds messagers sont des molécules intracellulaires (ex: AMPc, Ca2+) qui transmettent et amplifient le signal. Ils sont rapidement détruits, permettant un arrêt rapide du signal.
• La spécificité du signal dépend du récepteur et de la machinerie de signalisation des différents types cellulaires.

Exemple de l'Acétylcholine :

• Avec les cellules musculaires cardiaques (CMC) : diminution de la vitesse et de la force de contraction (effet inotrope négatif).
• Avec les cellules musculaires squelettiques (CMS) : contraction musculaire.
• Avec les cellules sécrétrices de glande salivaire : sécrétion.

Complexité de la spécificité du signal

• Lors de l'activation d'une voie de signalisation, de nombreuses protéines interviennent, notamment des protéines d'échafaudage et d'ancrage.
• Les protéines d'échafaudage compartimentent le signal, rapprochant d'autres protéines (relais ou adaptatrices) pour une activation en cascade.

Interactions

• Les protéines de signalisation interagissent grâce à des domaines de reconnaissance spécialisés :
  • SH2 : attiré par les tyrosines phosphorylées (Tyr-P).
  • PH : attiré par le PIP3.
  • STAT : possède un domaine qui se lie à l'ADN.

La petite protéine G, souvent mutée dans les cancers, peut être activée ou inactivée selon des phosphorylations et déphosphorylations.

C. Les principales familles de récepteurs membranaires

Il existe trois grandes familles de récepteurs membranaires :

1. Récepteurs couplés aux canaux ioniques : non abordés dans ce cours.
2. Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) :
   • Répondent à des signaux variés.
   • Activent des protéines G.
   • Exemple : récepteurs de l'adrénaline.
3. Récepteurs couplés aux enzymes :
   • Souvent des récepteurs de facteurs de croissance.
   • L'effecteur peut être le récepteur lui-même ou une protéine associée.
   • Deux sous-types principaux :
     • Activité tyrosine kinase :
       • Exemples : récepteur de l'EGF (Epidermal Growth Factor), de l'insuline.
     • Activité sérine/thréonine kinase :
       • Exemple : récepteur du TGFβ (Tumor Growth Factor beta).

2. Signalisation par les récepteurs enzymatiques

2.1. Récepteurs tyrosine-kinase (RTK)

A. Généralités

Diversité des récepteurs à activité tyrosine kinase

• Possèdent un domaine extracellulaire varié.
• Tous ont un domaine transmembranaire (sauf le récepteur de l'insuline).
• Moins de 100 RTK sont connus.
• Principalement impliqués dans la signalisation des facteurs de croissance et de prolifération.

Mécanismes généraux d'activation des récepteurs

1. Liaison du ligand : le ligand se fixe au domaine extracellulaire du récepteur.
2. Dimérisation : la liaison du ligand induit la dimérisation des récepteurs.
3. Autophosphorylation : la dimérisation active l'activité tyrosine kinase intrinsèque des récepteurs, entraînant l'autophosphorylation de résidus tyrosine sur le domaine intracellulaire.
4. Recrutement de protéines de signalisation : les tyrosines phosphorylées servent de sites de liaison pour des protéines de signalisation intracellulaires contenant des domaines SH2.
5. Activation des voies de signalisation : ces protéines recrutées activent des cascades de signalisation en aval.

Cas particulier du récepteur de l'insuline

• Le récepteur de l'insuline nécessite une protéine d'arrimage, IRS1 (il n'a pas de plateforme de signalisation intrinsèque).
• IRS1 active la protéine Grb2, reconnue spécifiquement via son domaine SH2.
• Des protéines d'échafaudage permettent ensuite la localisation et le transfert du signal.

Voies de signalisation croisées (Cross-talk)

• Les voies de signalisation sont complexes et s'entrecroisent.
• Une même protéine peut avoir des voies différentes selon l'environnement cellulaire.
• Il est rare qu'une voie de signalisation fonctionne seule sans interférences.

B. Exemple du récepteur de l'EGF (Epidermal Growth Factor)

• Le récepteur de l'EGF (HER1 ou erbB1) fait partie d'une famille de récepteurs apparentés.
• Il régule la prolifération, la survie et la différenciation de nombreux types cellulaires.
• Souvent impliqué dans les cancers (l'accumulation d'anomalies provoque un cancer).

Les ligands du récepteur de l'EGF

• Plusieurs ligands existent : EGF et "EGF-like".
• Ils sont majoritairement synthétisés sous forme de précurseurs transmembranaires inactifs.
• Le clivage des précurseurs par des protéases (activées par d'autres voies de signalisation, phénomène de cross-talk) solubilise les ligands.
• Une signalisation juxtacrine est possible si certains ligands restent transmembranaires.

Famille de récepteurs de l'EGF : 4 récepteurs apparentés

• HER1 (EGFR) : récepteur de l'EGF classique.
• HER2 : pas de ligands connus, mais souvent surexprimé dans les cancers.
• HER3 : pas d'activité tyrosine kinase intrinsèque, mais peut s'hétérodimériser avec d'autres HER.
• HER4 : autre récepteur de la famille.

Ces récepteurs peuvent former des homodimères ou des hétérodimères, ce qui augmente la diversité des réponses.

Les principales voies de signalisation activées par le récepteur de l'EGF

1. Activation de la cascade des MAP kinases (voie Ras/MAPK) :
   • Après autophosphorylation de l'EGFR, Grb2 est recrutée (via son domaine SH2).
   • Grb2 attire Sos (via son domaine SH3).
   • Sos active Ras en échangeant le GDP contre le GTP (formation de Ras-GTP).
   • Ras-GTP active la cascade des MAP kinases (Raf → MEK → ERK), qui régule la prolifération, la différenciation et la survie cellulaire.
2. Voie de la Phospholipase C (PLCγ) :
   • Après autophosphorylation de l'EGFR, PLCγ est recrutée et activée.
   • PLCγ clive le PIP2 en IP3 et DAG.
   • IP3 provoque l'ouverture des canaux calciques du RE, entraînant une sortie de calcium dans le cytoplasme.
   • DAG, en synergie avec le calcium, active la protéine kinase C (PKC), qui phosphoryle divers substrats.
3. Voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K/Akt) :
   • Après autophosphorylation de l'EGFR, PI3K est recrutée et activée.
   • PI3K catalyse la conversion de PIP2 en PIP3.
   • PIP3 recrute PDK1 et PKB (Akt) à la membrane.
   • PDK1 phosphoryle et active PKB.
   • PKB se dissocie de la membrane et phosphoryle des substrats comme BAD, inhibant l'apoptose et favorisant la survie cellulaire.

Les principales étapes de la signalisation de l'EGF (Résumé)

1. Liaison de l'EGF au récepteur.
2. Dimérisation du récepteur.
3. Autophosphorylation des tyrosines.
4. Recrutement de protéines adaptatrices et d'enzymes.
5. Activation des voies de signalisation (Ras/MAPK, PLCγ, PI3K/Akt).
6. Les seconds messagers transmettent le signal dans le cytoplasme.

Rôle de la signalisation par l'EGF dans la tumorigenèse

• Des anomalies de la signalisation des récepteurs de l'EGF sont impliquées dans de nombreux cancers :
  • Surexpression des récepteurs (EGFR et HER2) et/ou des ligands.
  • Mutations du récepteur entraînant une activation constitutive de l'activité tyrosine kinase.
• Le récepteur de l'EGF est une cible thérapeutique importante en oncologie.

Terminaison du signal : désensibilisation

• L'EGF active une phosphatase qui déphosphoryle l'EGFR.
• Internalisation du complexe récepteur/ligand dans des puits à clathrine, suivie de dégradation ou de recyclage.
• Dégradation des seconds messagers.
• Ras possède une activité GTPase intrinsèque, stimulée par les GAP, qui réprime son activité (souvent perdue dans les cancers suite à des mutations de Ras).

Exemples de mutations de EGFR et HER2 dans les cancers :

• Activation constitutive du récepteur peut être causée par :
  • Mutation d'une valine sur HER2.
  • Partie extracellulaire du récepteur tronquée.

2.2. Récepteurs sérine/thréonine-kinase : exemple du récepteur du TGFβ

Le TGFβ (Tumor Growth Factor beta) appartient à une grande famille de ligands polypeptidiques synthétisés par clivage d'un précurseur soluble. Ces ligands, homo ou hétérodimères, régulent de nombreuses fonctions (développement, différenciation, production de matrice extracellulaire) de manière bifonctionnelle (inhibition ou stimulation de la prolifération cellulaire selon les tissus et contextes).

A. Les récepteurs et les ligands

• Les récepteurs du TGFβ sont des récepteurs sérine/thréonine kinase.
• La liaison du ligand induit la formation d'un complexe récepteur hétérodimérique (Type I et Type II).

B. La voie des Smad

• La liaison du TGFβ induit la phosphorylation du récepteur de Type I par le récepteur de Type II.
• Le récepteur de Type I phosphorylé recrute et phosphoryle des protéines Smad (R-Smad).
• Les R-Smad phosphorylées s'associent à une Smad commune (Co-Smad, ex: Smad4).
• Ce complexe Smad transloque dans le noyau et régule la transcription de gènes cibles.

3. Signalisation par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG)

A. Les récepteurs

• Les RCPG constituent une super famille de récepteurs "serpentins" ou à 7 segments transmembranaires (7 TMR), avec plus de 1000 récepteurs différents chez l'homme.
• Les ligands des RCPG sont de nature et de taille très variée : photons, odeurs, Ca2+, petites molécules endogènes (nucléotides, prostaglandines, acides aminés), protéines (TSH, LH, FSH, interleukines, chimiokines).
• La liaison du ligand peut se faire en extracellulaire, à l'intérieur du récepteur, ou au niveau de certains domaines transmembranaires.
• Cette liaison provoque une transconformation du récepteur.

Exemple du récepteur β2 adrénergique

• Possède des sites de liaison en transmembranaire.
• Possède des sites de phosphorylation par des kinases (notion importante pour la régulation).

Étapes de la signalisation des protéines G

1. Liaison du ligand au RCPG.
2. Activation du RCPG, qui agit comme un GEF (Guanine nucleotide Exchange Factor) pour la protéine G.
3. Le RCPG activé induit l'échange du GDP par du GTP sur la sous-unité α de la protéine G hétérotrimérique.
4. La sous-unité α-GTP se dissocie du dimère βγ.
5. Les sous-unités α-GTP et βγ activées interagissent avec des effecteurs intracellulaires.
6. L'activité GTPase intrinsèque de la sous-unité α hydrolyse le GTP en GDP, la réassociant au dimère βγ et inactivant le signal.

B. Les protéines G hétérotrimériques

• Appartiennent à la super famille des GTPases ou protéines G.
• On distingue les protéines G hétérotrimériques (grandes protéines G) et les protéines G monomériques (petites protéines G).
• Le mécanisme de transduction repose sur l'échange GDP-GTP.
• Elles sont composées de trois sous-unités : α, β et γ.
• La sous-unité α lie le GDP ou le GTP et possède une activité GTPase.
• Le dimère βγ reste associé et peut également interagir avec des effecteurs.

C. Les effecteurs

L'adénylate cyclase

• La sous-unité α de la protéine G (souvent Gsα) se fixe et active/inhibe l'adénylate cyclase.
• L'adénylate cyclase transforme l'ATP en AMPc (second messager).
• L'AMPc se lie à la protéine kinase A (PKA), qui a une activité sérine/thréonine kinase et régule des protéines cytoplasmiques et nucléaires.
• L'AMPc permet une amplification majeure du signal.
• L'AMPc est dégradé par la phosphodiestérase pour arrêter rapidement le signal.

Diversité des protéines G

• Il existe différentes combinaisons d'une sous-unité α avec un dimère βγ, menant à diverses fonctions.
• Exemples de sous-unités α : Gs (stimulatrice de l'adénylate cyclase), Gi (inhibitrice de l'adénylate cyclase), Gq (active la PLCβ).

Phospholipase C (PLCβ)

• La protéine G (souvent Gqα) peut activer la phospholipase C-β.
• La PLC-β clive le PIP2 en IP3 et DAG.
• L'IP3 provoque la sortie de calcium du RE.
• Le DAG, en synergie avec le calcium, active la PKC, qui a une activité kinase.

Autres effecteurs

• Les protéines G peuvent également agir sur des canaux ioniques de la membrane plasmique, des protéines G monomériques, etc.
• Les sous-unités βγ activées peuvent aussi agir sur certains effecteurs.

Complexité de la signalisation par les récepteurs aux protéines G

• Certains ligands peuvent lier plusieurs récepteurs.
• Certains récepteurs peuvent se lier à plusieurs protéines G.
• Les protéines G peuvent avoir plusieurs effecteurs.
• Les seconds messagers (AMPc, DAG, IP3) activent des effecteurs secondaires (PKA, PKC, PI3K, MAPK, phospholipases A2, D, sphingomyélinases).

D. Arrêt du signal

• La sous-unité α hydrolyse le GTP en GDP (activité GTPase intrinsèque, souvent stimulée par des RGS - Regulators of G protein Signaling).
• Le récepteur activé est phosphorylé par des GRK (G protein-coupled Receptor Kinases).
• La phosphorylation du récepteur permet la liaison de la β-arrestine.
• La β-arrestine désensibilise le récepteur (empêche l'interaction avec la protéine G), favorise son internalisation (dégradation ou recyclage) et peut activer d'autres voies de signalisation.

E. Fonctions médiées par les récepteurs couplés aux protéines G

• Signalisation très rapide : vision, odorat, goût, neurotransmission.
• Régulation métabolique : métabolisme glucido-lipidique, sécrétions exocrines, régulations endocrines, pression artérielle, contraction des muscles lisses.
• Régulation immunitaire.
• Développement, croissance, différenciation, prolifération.

F. Conclusions

• Les signaux des RCPG et des récepteurs enzymes empruntent des voies spécifiques et des voies communes (cross-talk).
• Exemples de cross-talk :
  • La protéine G peut activer/inhiber l'adénylate cyclase (voie spécifique) ou activer la phospholipase C (voie commune).
  • Le récepteur enzyme peut déclencher la voie des MAPK, PKB (spécifique) mais aussi la phospholipase C (commune).

Principaux acteurs impliqués dans la signalisation

Les principaux acteurs incluent les ligands, les récepteurs, les protéines G, les seconds messagers, les kinases, les phosphatases, et les protéines d'échafaudage, tous interagissant dans des réseaux complexes.

Exemple du cancer hépatocellulaire (CHC)

• Le CHC est un cancer du foie se développant souvent sur un foie atteint d'hépatite chronique, induisant de nombreuses mutations dans les voies de signalisation.
• Les possibilités thérapeutiques incluent la transplantation hépatique, l'ablation, la destruction percutanée.
• En cas de solutions palliatives : chimioembolisation, traitements médicamenteux (chimiothérapie souvent inefficace pour les CHC).

Apport de l'étude des voies de signalisation impliquées dans le CHC

• L'étude des voies de signalisation a mis en évidence l'implication de :
  • Voie des récepteurs aux facteurs de croissance (insuline).
  • Voie du TGFα.
  • Voie des récepteurs de l'EGF (HER1/HER3/HER4).
• Ces voies sont devenues des cibles thérapeutiques :
  • Anticorps monoclonaux (-mab).
  • Inhibiteurs (ir-)réversibles des tyrosines kinases (-ib).
• Le gefitinib (inhibiteur d'EGFR) a montré une augmentation de l'apoptose chez le rat, mais pas chez l'homme.
• Chez l'homme, il faut souvent inhiber la voie des EGFR et l'angiogenèse (via le récepteur du VEGF) avec des molécules comme le sorafenib.
• La compréhension de ces voies a permis une augmentation de la survie des patients, bien que les traitements soient de plus en plus complexes.

I. Introduction aux interactions cellulaires et signalisation

1. Les cellules doivent coopérer entre elles et avec leur environnement

• Les cellules s'assemblent pour former des tissus, puis des organes, dans les organismes multicellulaires.
• Les quatre grands types de tissus sont : épithélium, tissu conjonctif, tissu musculaire, tissu nerveux.
• L'épithélium est un tissu cellulaire bordant les lumières d'organes et assurant l'interface entre compartiments biologiques ou l'extérieur. Il assure une protection physique et des fonctions de transport spécifiques.

Fonctions des épithéliums

• Absorption
• Barrière
• Fonction endocrine
• Mobilité
• Communication avec le reste de l'organisme

Modes de communication intercellulaire

• Par l'intermédiaire de molécules sécrétées solubles ou de photons.
• Par l'interaction avec des molécules de la Matrice Extracellulaire (MEC) via des jonctions.
• Directement de cytoplasme à cytoplasme (molécules d'adhérence intracellulaire (CAM) ou jonctions communicantes de type gap).

La signalisation cellulaire permet la réponse et l'intégration des différents messages reçus par une cellule, nécessitant des récepteurs. Les interactions cellulaires sont fondamentales et se font principalement par l'intermédiaire de jonctions.

2. Types de jonctions intercellulaires

Il existe plusieurs types de jonctions cellulaires, dont l'importance varie selon les tissus (ex: jonctions adhérentes et serrées dans les épithéliums, desmosomes dans l'épiderme).

De l'apical au basal, on retrouve :

1. Jonctions serrées (Tight Junctions)
2. Jonctions d'ancrage intercellulaires :
   • Jonctions adhérentes (Adherens Junctions)
   • Desmosomes
3. Jonctions formant des canaux :
   • Jonctions communicantes (Gap Junctions)
4. Jonctions d'ancrage cellule/matrice :
   • Hémidesmosomes
   • Contacts focaux

Ces jonctions impliquent des protéines transmembranaires qui relient l'extérieur de la cellule au cytosquelette. Il existe aussi des contacts non jonctionnels (molécules transmembranaires initiant les adhérences spécifiques).

Architecture de base des complexes d'adhésion

• Protéines transmembranaires : interagissent avec des protéines adaptatrices.
• Protéines adaptatrices : font la liaison entre l'espace transmembranaire et le cytosquelette.
• Protéines de signalisation : régulent la structure et la force des interactions, déclenchant des cascades qui aboutissent à la régulation de gènes et impactent le phénotype cellulaire.

II. Jonctions serrées : assurer l'imperméabilité d'un tapis cellulaire

1. Rappel sur les jonctions serrées : structure, composition et fonctions

• Les jonctions serrées (JS) forment des contacts très étroits entre deux membranes plasmiques de cellules adjacentes.
• Elles forment une ceinture (zonula occludens) située au pôle apical de la cellule.
• Elles sont composées de protéines transmembranaires qui se font face et sont étroitement liées.
• En cryofracture, elles apparaissent comme des réseaux de fibrilles (kissing points) formées par des rangées de molécules transmembranaires.

a) Protéines transmembranaires

• Les principales protéines sont les occludines et les claudines (tétraspanines = 4 domaines transmembranaires).
• D'autres protéines transmembranaires existent : JAM (Junction Adhesion Molecules), Crumb (polarisation cellulaire), tricellulines (interactions entre 3 cellules).
• Les interactions sont homotypiques côté extracellulaire (claudine/claudine) et hétérotypiques côté cytoplasmique.
• Les claudines (26 membres) peuvent former des canaux. Leurs interactions dépendent d'acides aminés chargés.
• Les occludines interagissent via des acides aminés hydrophobes.

b) Les protéines d'attachement intracellulaires

• Présentes côté cytoplasmique.
• Les plus connues sont les protéines de la zonula occludens (ZO) : ZO-1, ZO-2, ZO-3.
• Elles se lient aux domaines intracytoplasmiques des protéines transmembranaires et interagissent avec le cytosquelette (actine et microtubules).
• Ce sont des plateformes multiprotéiques avec des domaines de liaison comme SH3.

Fonction principale des jonctions serrées : fonction structurelle de barrières

• Portes : scellent les cellules entre elles, formant une barrière entre les compartiments apical et basolatéral (portes paracellulaires) qui limite la diffusion d'ions et de solutés (étanchéité).
• Clôtures : maintiennent des frontières dans les membranes cellulaires en empêchant la diffusion intramembranaire des protéines et lipides apicaux/basolatéraux, jouant un rôle clé dans la polarisation cellulaire.

2. Fonctions de barrières

a) Barrière paracellulaire

• L'étanchéité n'est pas absolue ; les JS sont imperméables à certaines macromolécules mais possèdent une perméabilité régulée pour d'autres molécules.
• Pore pathway : perméabilité contrôlée par les claudines, qui forment des canaux sélectifs pour certains ions et petits solutés (diamètre max 0,6 nm, sélectif pour taille et charge). Ex: claudine 2 dans l'intestin permet la perméabilité paracellulaire au Na+.
• Leak pathway : perméabilité contrôlée par les occludines, JAM, tricelluline, et par les kinases des chaînes légères de myosine (MLCK1). La phosphorylation des myosines par MLCK1 provoque l'endocytose de l'occludine et augmente la perméabilité (diamètre 12,5 nm, moins sélectif). Présent en physiologie et pathologie.

b) Frontière physique et fonctionnelle de la membrane plasmique

• Les JS empêchent la diffusion intramembranaire des lipides et des protéines membranaires entre les membranes plasmiques basolatérale et apicale.
• Elles participent à la polarité cellulaire, essentielle pour la fonction des épithéliums.

c) Coordination transport paracellulaire et transcellulaire

• L'entrée de glucose couplée au Na+ (par SGLT1) et sa sortie (par GLUT2), ainsi que la sortie de Na+ (par Na/K ATPase), génèrent un gradient osmotique.
• Ce gradient attire l'eau et les petits nutriments en paracellulaire au niveau des JS (leak pathway physiologique).
• Certaines claudines forment des canaux paracellulaires permettant l'efflux du Na+ absorbé, maintenant l'équilibre.
• L'entrée de Na+ avec le glucose modifie la concentration de Ca2+, activant la MLCK1, qui phosphoryle des éléments du cytosquelette, entraînant une contraction et une ouverture transitoire de la jonction serrée.
• Le dysfonctionnement des claudines 15 et 2 est létal chez les animaux, soulignant leur rôle essentiel dans le flux paracellulaire de sodium.

3. L'assemblage des jonctions serrées est étroitement lié à la mise en place de la polarité cellulaire

La polarisation cellulaire est une étape clé de la différenciation des cellules épithéliales :

1. Premiers contacts cellulaires via la E-cadhérine et les nectines.
2. Recrutement de ZO et du complexe PAR3-PAR6-aPKC (complexe important pour la polarisation).
3. Recrutement d'autres protéines, comme des petites protéines G, qui régulent l'organisation du cytosquelette.
4. Activation des petites protéines G, permettant l'activation d'autres protéines qui finalisent la différenciation.

4. Voies de signalisation associées

• Les jonctions serrées interagissent avec différentes voies de signalisation et participent au contrôle de la prolifération et de la différenciation.
• L'assemblage des JS inhibe la prolifération et augmente les marqueurs de différenciation.
• Exemple : la protéine ZONAB, si la JS est bien établie, reste dans la jonction et ne peut pas aller dans le noyau pour augmenter la prolifération.
• De même, CycD1 et CdK4 se trouvent dans le complexe de jonction et non dans le noyau, empêchant l'entrée dans le cycle cellulaire.
• La voie de signalisation est également liée à la densité cellulaire.
• Tout dépend de la quantité de ZONAB dans le noyau pour réguler l'expression des gènes cibles.

III. Jonctions d'ancrage cellule-cellule

1. Rappels

a) Structure générale

• Les jonctions d'ancrage (adhérentes et desmosomes) sont associées à des protéines ayant un rôle important en physiopathologie, notamment dans le cancer.
• La structure repose sur :
  • Une protéine de liaison transmembranaire (cadhérine ou intégrine).
  • Associée à une protéine d'attachement cellulaire.
  • Elle-même liée à des filaments du cytosquelette :
    • Actine pour les jonctions adhérentes.
    • Filaments intermédiaires (cytokératine pour les épithéliales, vimentine/desmine pour les mésenchymateuses) pour les desmosomes.

Les jonctions d'ancrage peuvent impliquer différentes protéines :

• Cadhérines :
  • Liaisons homotypiques (dimère de molécules identiques).
  • Interviennent dans les jonctions adhérentes et les desmosomes.
• CAM de la superfamille des Ig (IgCAM).
• Sélectines et leurs récepteurs :
  • Haute spécificité (carbohydrates).
  • Spécialisées dans les interactions leucocytes/endothéliums.
• Intégrines :
  • Surtout des interactions cellule-matrice.
  • Quelques intégrines interagissent avec des IgCAM.

b) Jonctions adhérentes (JA)

• Les principales molécules impliquées sont les cadhérines.
• Protéines adhérentes qui impliquent l'actine (intracellulaire).
• Elles sont dépendantes du calcium, qui leur confère leur structure.
• Elles sont impliquées dans des liaisons homophiles (2 cadhérines de même type interagissent).
• Interactions cis (cadhérines sur la même membrane) ou trans (sur 2 membranes différentes).
• Dans les JA, ce sont des cadhérines classiques (ex: E-cadhérine dans les épithéliums, N dans le tissu nerveux, P pour le placenta).
• Les cadhérines sont composées d'un domaine extracellulaire (sites de liaison au calcium), un domaine transmembranaire et un domaine intracellulaire.
• Le domaine intracellulaire s'associe aux caténines (alpha, bêta, gamma), qui se lient aux filaments d'actine.
• L'ensemble des JA forme la zonula adherens.
• Les nectines peuvent aussi intervenir dans les JA.

c) Desmosomes

• Constitués de cadhérines spécifiques (non classiques) : desmogléine, desmocolline.
• Associées à des protéines adaptatrices formant une plaque intracellulaire : plakoglobine (gamma-caténine), desmoplakine.
• Ces protéines sont liées aux filaments intermédiaires (cytokératine dans les épithéliales, desmine dans les cardiaques, vimentine dans les mésenchymateuses).
• Ils forment des "boutons pression" ou macula adherens, localisés sous les jonctions serrées et adhérentes.

2. Fonctions structurelles

Les jonctions d'ancrage ont deux rôles principaux :

1. Cohésion mécanique : elles assurent la cohésion des cellules entre elles et avec la MEC, conférant une résistance mécanique aux tissus.
2. Transmission de forces : elles permettent la transmission des forces mécaniques d'une cellule à l'autre ou à la MEC.

Ces fonctions sont cruciales pour la forme cellulaire et l'homéostasie tissulaire, ayant un impact sur la signalisation. Un dérèglement peut jouer un rôle dans le cancer et le développement de métastases.

3. Signalisation associée à la jonction d'ancrage

La voie bêta-caténine : rôle essentiel dans le destin cellulaire

• Il existe trois types de caténines (alpha, bêta, gamma) qui forment un complexe associant la queue cytoplasmique des cadhérines au cytosquelette.
• La bêta-caténine existe sous différents pools dans la cellule : membranaire, cytosolique et nucléaire.

Rôles de la bêta-caténine :

• Membranaire : fait partie du complexe associé aux cadhérines.
• Nucléaire : forme un complexe avec le facteur transcriptionnel TCF pour l'activer, agissant sur les promoteurs de gènes impliqués dans la prolifération et la différenciation cellulaire.
• Cytosolique : en conditions normales, la bêta-caténine cytosolique est phosphorylée par un complexe multiprotéique puis dégradée par le protéasome.

Le complexe de dégradation de la bêta-caténine est formé de :

• Axin.
• APC (Adenomatous Polyposis Coli) : gène suppresseur de tumeur impliqué dans les cancers coliques (mutations héréditaires ou somatiques).
• GSK (Glycogène Synthase Kinase) : kinase qui phosphoryle la bêta-caténine au sein du complexe, l'adressant au protéasome pour dégradation.

À l'état normal, la bêta-caténine doit soit faire partie du complexe associé aux cadhérines, soit être dégradée. Elle n'active alors pas TCF ni les gènes régulés par TCF-bêta-caténine.

1) Voie Wnt / bêta-caténine (physiologique)

• Les molécules solubles Wnt (sécrétées) interagissent avec le récepteur transmembranaire Frizzled (Frz).
• Frz active une protéine intracellulaire Dishevelled (Dsh), qui inhibe la GSK.
• La bêta-caténine n'est plus phosphorylée ni dégradée par le protéasome.
• Elle transloque dans le noyau, s'associe à TCF et active les gènes de prolifération/différenciation.
• Cette voie Wnt est mise en œuvre au cours du développement normal et dans des pathologies tumorales.

2) Mutations du gène APC (physiopathologique)

• Des mutations du gène APC sont retrouvées dans des cancers familiaux du côlon et dans de nombreux cancers sporadiques du côlon.
• APC est un gène suppresseur de tumeur.
• En l'absence d'APC fonctionnel :
  • Défaut de fonction du complexe de phosphorylation.
  • Défaut de dégradation de la bêta-caténine.
  • La bêta-caténine est transloquée dans le noyau.
  • Elle s'associe avec TCF, l'active, et stimule l'expression de gènes de prolifération/différenciation, favorisant le cancer.
• Ce mécanisme peut aussi être à l'origine de phénomènes physiologiques.
• D'autres protéines des JA interagissent avec les composants de la voie Wnt/bêta-caténine.
• La fonction nucléaire des protéines des JA est différente de leur fonction à la membrane plasmique, et leur localisation nucléaire coïncide souvent avec une baisse de leur présence à la membrane.

4. Dynamique des jonctions adhérentes dans les épithéliums et transition épithélio-mésenchymateuse (EMT)

• Les jonctions adhérentes permettent la formation d'épithéliums.
• Ces jonctions peuvent être dissociées lors de la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT).
• Durant l'EMT, la E-cadhérine est souvent remplacée par la N-cadhérine, qui a des capacités différentes pour former des jonctions adhérentes fonctionnelles, entraînant une dissociation des cellules.
• Cette dissociation s'observe dans des situations physiologiques (développement embryonnaire, réparation tissulaire) et pathologiques (inflammation, cancer → développement de métastases).

IV. Jonctions communicantes / Gap Junctions

1. Rappels : structure, composition et fonctions

• Morphologie : accolement très important des deux membranes (intervalle intercellulaire de 2 à 4 nm).
• En cryofracture : îlots de particules appelées connexons (petits canaux).
• Les connexons sont composés de 6 connexines (protéines transmembranaires), qui peuvent être identiques (homomériques) ou différentes (hétéromériques).
• Une jonction efficace nécessite deux connexons (un de chaque cellule) pour former un canal intercellulaire.
• Il existe de nombreuses connexines, partiellement spécifiques des tissus où elles sont exprimées.
• Ces jonctions permettent le passage de petites molécules (PM < 1000 Da) : acides aminés, sucres, acides nucléiques, AMPc, ions inorganiques.
• Les jonctions communicantes coordonnent l'activité des cellules et sont cruciales pour l'homéostasie des tissus, la croissance et la différenciation cellulaire, en répondant à différents stimuli.

2. Signalisation associée avec les jonctions communicantes

a) La signalisation dépend des molécules transportées

• Un changement de conformation des connexines permet l'ouverture ou la fermeture de la jonction.
• Fermeture si concentration en Ca2+ élevée ou pH bas.
• Ouverture si concentration en Ca2+ basse ou pH élevé.

Exemple 1 : Cellule endommagée

• Dans une cellule endommagée, la membrane devient perméable, et les ions extracellulaires (Na+, Ca2+) entrent massivement.
• La forte concentration en Ca2+ intracellulaire entraîne la fermeture immédiate des gap junctions, protégeant les cellules voisines d'une perturbation métabolique.

Exemple 2 : Adaptation de la rétine à la lumière

• La dopamine, via son récepteur membranaire, augmente la concentration intracellulaire d'AMPc.
• Cette augmentation d'AMPc entraîne la fermeture des gap junctions.
• Ce phénomène est à l'origine de l'adaptation de la rétine à la lumière : un fort éclairage produit une augmentation de dopamine et une fermeture des gap junctions, activant les cellules en cônes (vision diurne) et inhibant les cellules en bâtonnets (vision nocturne).

Les molécules transportées (Ca2+, AMPc, H+) permettent de transmettre les signaux dans les cellules avoisinantes en réponse à un signal extérieur, intervenant dans la prolifération, différenciation, apoptose, métabolisme.

b) La signalisation dépend des protéines partenaires des connexines

• Les connexines sont associées et régulées par un grand nombre de protéines (kinases, protéines liées au cytosquelette comme ZO, bêta-caténine, tubuline, MAP kinase).
• Ces protéines, grâce aux connexines, coordonnent l'état métabolique des cellules et interviennent dans la réparation ou les cancers.

3. Physiopathologie des jonctions communicantes

• Dans certains cancers, l'expression de certaines connexines diminue. Le rétablissement de leur expression ne conduit pas toujours à un effet suppresseur de tumeurs.
• Une mutation sur la connexine 37 est à l'origine d'une infertilité génitale.
• Une mutation sur la connexine 26 (Cx26) est à l'origine d'un grand nombre de cas de surdité génitale.

V. Interactions cellule-matrice

1. Rappels : composition et structure de la MEC

La Matrice Extracellulaire (MEC) est un réseau tridimensionnel de macromolécules qui constitue la charpente des tissus, un support pour l'adhérence et la migration cellulaire, et qui génère des signaux (survie, prolifération, fonction) relatifs à l'environnement des cellules. C'est un lieu de stockage pour de nombreux facteurs solubles (cytokines, facteurs de croissance) qui peuvent agir sur les cellules.

• La MEC est sécrétée par les fibroblastes (ostéoblastes, chondroblastes, myoblastes, adipoblastes) du tissu conjonctif.
• Elle est très abondante dans les organes mous (peau), rigide dans l'os et le cartilage, et élastique dans les vaisseaux.

a) Les constituants de la MEC

• Glycosaminoglycanes (GAG) : longues chaînes polysaccharidiques non ramifiées (ex: acide hyaluronique). Forment un gel hydraté résistant à la compression.
• Protéoglycanes : GAG liés de façon covalente à un noyau protéique (ex: perlécan, décorine).
• Collagènes (20 types) : protéines fibreuses riches en proline et glycine, formées de 3 chaînes polypeptidiques glycosylées alpha enroulées.
• Élastine : protéine riche en proline et glycine, non glycosylée et très hydrophobe.
• Glycoprotéines d'adhérence : comportent des sites de liaison spécifiques (séquences RGD = Arginine Glycine Aspartate) pour d'autres macromolécules de la matrice et pour les cellules (ex: fibronectine dans le tissu conjonctif, laminine et entactine dans la membrane basale).

La membrane basale ou lame basale

• Forme particulière et spécialisée de MEC.
• Composée de collagène IV en réseau, de perlécan (protéoglycane), de laminine et de nidogène.
• C'est là où reposent les épithéliums et certains vaisseaux.
• Produite par les cellules épithéliales et mésenchymateuses.

b) Jonctions d'ancrage à la matrice et intégrines

Les jonctions d'ancrage cellule-matrice assurent l'attachement des cellules avec la matrice, via les intégrines :

• Ancrage cellule-matrice : via les filaments d'actine (contacts focaux).
• Hémidesmosomes : via les filaments intermédiaires.

Intégrines

• Chaque intégrine possède une chaîne alpha et une chaîne bêta liées de façon non-covalente.
• Famille d'au moins 24 récepteurs hétérodimériques transmembranaires de la MEC (combinaisons de 14 chaînes alpha et 9 chaînes bêta).
• La chaîne alpha lie le Ca2+ (interactions dépendantes du Ca2+).
• La chaîne bêta fait la liaison avec l'actine via des protéines comme l'actinine.
• Les intégrines unissent la MEC (fibronectine, laminine, collagène) au cytosquelette (actine) et transmettent aux cellules les signaux relatifs à leur environnement.
• Elles sont de faible affinité et exprimées en grand nombre.
• Exemple : α6β1 (très exprimée par les épithéliums), récepteur de la laminine des hémidesmosomes.
• Les intégrines forment les points de contact focaux : regroupement des intégrines qui coordonnent l'orientation de la MEC et du cytosquelette (recrutement d'actine).
• Les protéines qui font le lien entre l'actine du cytosquelette et les intégrines sont : taline, vinculine, paxilline et α-actinine.
• Cet ancrage assure la cohésion du tissu avec la MEC et participe à la forme du tissu.

2. Signalisation associée

• Les intégrines transmettent la signalisation entre la cellule et la MEC dans les deux sens (intérieur/extérieur et extérieur/intérieur) grâce à leurs points de contact focaux.
• La FAK (Focal Adhesion Kinase) est une protéine de signalisation importante.
• La MEC est nécessaire à la prolifération et contrôle la différenciation. Sa dégradation par protéolyse promeut l'apoptose.

Comment le signal passe de la MEC à l'intérieur de la cellule ?

• L'interaction cellule-MEC stimule le regroupement des intégrines (points de contact focaux), l'association au cytosquelette et l'activation de tyrosines kinases, en particulier la FAK.
• Ces voies de signalisation entraînent des cascades de molécules, des modifications post-traductionnelles, et l'activation de facteurs de transcription (ex: ERK), impactant les processus cellulaires.
• Il existe une interconnexion très forte entre les voies de signalisation, qui peuvent être dérégulées dans le cas du cancer.

3. Physiopathologie : ex-différenciation des cellules épithéliales mammaires

• L'épithélium de la glande mammaire in vivo forme des structures appelées acini, avec un pôle apical (production de lait) et un pôle basal (accroché à la membrane basale). Les cellules sont polarisées.
• Cellules épithéliales mammaires en culture 3D :
  • Dans des gels de lame basale riches en laminine : polarisation correcte.
  • Dans des gels avec du collagène I (tissu conjonctif) : polarisation incorrecte.
  • Si on ajoute des cellules myoépithéliales avec le collagène I : polarisation rectifiée.
• Les cellules myoépithéliales produisent des laminines (laminine 111), indispensables à la polarisation correcte des cellules épithéliales mammaires.
• La forme de la cellule a un impact sur l'expression de la lactoferrine (protéine du lait), dépendant de l'environnement matriciel.
• Pour une expression complète des autres protéines du lait, des interactions avec les laminines et des hormones comme la prolactine sont nécessaires.
• La glande mammaire se remodèle en fonction des besoins de lactation.

Les jonctions ont également un impact sur des processus tissulaires comme l'inflammation et l'immunité.

I. Introduction à la régulation de l'activité des protéines et à la cancérogenèse

1. Régulation de l'activité d'une protéine

• Toutes les étapes de la vie d'une protéine sont régulées.
• Pour qu'une protéine soit fonctionnelle, elle doit être transcrite, traduite, puis régulée par des modifications post-traductionnelles (liaison avec une autre protéine, phosphorylation, glycosylation, etc.).
• Ces protéines peuvent être des facteurs de transcription, eux-mêmes régulés.

2. La cellule et son environnement

a) La cellule s'adapte à l'environnement en intégrant les signaux extérieurs

• Les niveaux d'expression des protéines répondent à des signaux externes :
  • Modifications métaboliques (apports nutritionnels en glucose, acides aminés).
  • Signaux hormonaux.
  • Facteurs de croissance.
  • Cytokines.
  • Signaux physiques.
• Une cellule interagit avec d'autres cellules ou avec la matrice extracellulaire. Ces interactions peuvent dépendre simultanément de l'apport nutritionnel et d'une inflammation.
• La cellule intègre toutes ces informations pour adapter son fonctionnement.
• L'information peut arriver via des molécules qui diffusent passivement à travers la membrane plasmique, ou qui sont transportées par des transporteurs.
• Des récepteurs reçoivent l'information de l'extérieur et transduisent le signal à l'intérieur sans que la molécule ne pénètre, induisant une réponse cellulaire.

b) La cellule modifie l'environnement

• Une fois les signaux extérieurs intégrés, la cellule modifie les signaux qu'elle renvoie.
• Exemples :
  • Cellule hépatique stocke le glycogène.
  • Adipocyte stocke les triglycérides.
  • Cellules inflammatoires sécrètent des cytokines en réponse à des stimulations (virus).
• La cellule modifie également ses interactions avec la matrice extracellulaire et avec les autres cellules.
• Ainsi, la cellule reçoit et émet des signaux à l'extérieur.

3. Notions de cancérogenèse

a) Exemple du cancer en France

• Le cancer est la première cause de décès, avec un nombre plus élevé de décès masculins.
• Cancers les plus fréquents chez l'homme : prostate, poumons, colorectal.
• Cancers les plus fréquents chez la femme : sein, colorectal, poumons.

b) Notions de cancérogenèse

1. Mutations de l'ADN ("drivers") +/- prédispositions génétiques :
   • Déclenchement de mutations de l'ADN (dans le gène "driver", premier événement pathologique) par des facteurs chimiques, rayonnements, virus (ex: HPV pour le cancer du col de l'utérus).
   • Prédisposition génétique (mutation d'un gène ou polymorphisme génétique) peut faciliter ces altérations.
2. Promotion – Prolifération :
   • La mutation permet une prolifération incontrôlée de la cellule, conduisant à une accumulation d'anomalies moléculaires (hétérogénéité cellulaire).
3. Dissémination – Métastase :
   • Le risque le plus important est la dissémination et la métastase due à la "libération des cellules" : elles rompent leurs attaches et s'implantent dans d'autres tissus.

La cancérogenèse affecte tous les aspects du "destin cellulaire" (différenciation, prolifération, mort cellulaire). Les mécanismes cellulaires impliqués sont nombreux et peuvent perturber le fonctionnement métabolique des cellules.

c) Les oncogènes

• Expérience de Rous : identification d'un sarcome chez le poulet transmissible par un filtrat, nommé "Sarcome de Rous".
• Ce sarcome a été identifié comme un virus transformant : le "RSV : Virus du Sarcome de Rous", un rétrovirus.
• Un gène, le gène src, a été identifié comme responsable de la prolifération anormale, avec une activité tyrosine kinase. Ce gène a été appelé oncogène.
• Comparaison avec le génome humain : un gène similaire, le proto-oncogène cellulaire c-src, a été trouvé.
• C-SRC est un gène cellulaire normal codant une protéine à activité tyrosine kinase, impliquée dans le métabolisme cellulaire et activée par divers signaux.
• Si c-src mute et n'est plus régulé (activité tyrosine kinase en permanence activée), le fonctionnement normal est remplacé par un fonctionnement anormal : augmentation de la mobilité (angiogenèse), survie et prolifération (stimulation des MAPK kinases).
• Un proto-oncogène peut muter et devenir un oncogène responsable d'une prolifération anormale.
• L'oncogène v-src (forme virale) est une forme activée en permanence.
• Un oncogène est un gène qui a eu un gain de fonction (mutation activatrice), une seule mutation activatrice est suffisante pour perturber le fonctionnement cellulaire.
• Exemples d'oncogènes fréquemment associés aux cancers : famille Ras (n-ras, k-ras), famille Myc.

d) Les anti-oncogènes

• Les anti-oncogènes (ou gènes suppresseurs de tumeurs) sont des gènes dont la perte de fonction favorise le cancer.
• Exemple : la protéine du rétinoblastome (pRb).
  • Quand pRb est active, elle bloque le facteur de transcription E2F, limitant la division cellulaire.
  • Si pRb est phosphorylée, elle devient inactive, relargue E2F, qui stimule la prolifération cellulaire.
  • Dans les cancers, des mutations perte de fonction de pRb nécessitent que les deux allèles soient mutés. Souvent, une mutation est héréditaire et la seconde est acquise.
• Autres exemples d'anti-oncogènes :
  • p53 : impliqué dans presque tous les cancers.
  • BRCA1, BRCA2 : impliqués dans le cancer du sein.
• Un anti-oncogène nécessite la mutation des deux allèles pour perdre sa fonction.

II. MicroARN et biologie : régulation épigénétique

1. Épigénétique

• Définition : L'épigénétique décrit les mécanismes moléculaires au niveau du génome et de l'expression des gènes qui sont liés à l'environnement et potentiellement transmissibles, mais sans modification de la séquence primaire de l'ADN.
• Exemples : chant des oiseaux (mutation épigénétique liée à l'environnement), empreinte parentale (expression différentielle des allèles paternels/maternels, ex: chromosome 15 et syndromes de Prader-Willy).
• Dérégulation dans le cancer : inactivation de gènes suppresseurs de tumeur.
• Les modifications épigénétiques sont nécessaires au fonctionnement normal des cellules.
• Marques épigénétiques :
  • Méthylation de l'ADN.
  • Modifications post-traductionnelles des histones (méthylation, acétylation, phosphorylation).
  • Petits ARN (microARN) qui régulent l'expression des gènes.

2. Les microARNs

a) Les ARNs (Acides RiboNucléiques)

• Séquences simple brin.
• Structures secondaires et tertiaires (boucles, épingles à cheveux).
• 90% du génome est transcrit en ARN.
• Seulement 2% des ARNs sont codants (ARNm).
• La plupart des ARNs sont non codants (ARNr, ARNt, ARNs d'épissage).
• Une sous-classe d'ARNs non codants sont les microARNs (ARNmi).

b) Les microARNs

• Petits ARNs de 20 à 24 nucléotides (22 nt en moyenne).
• 2578 microARN matures identifiés chez l'Homme.
• Présents dans toutes les espèces animales et végétales, avec des homologies.
• Rôle : contrôle post-transcriptionnel des gènes.
• 60% des gènes sont régulés par ces microARNs, impliquant toutes les voies métaboliques et mécanismes cellulaires.

Maturation des microARNs

1. Les microARNs sont transcrits par l'ARN polymérase II à partir de séquences spécifiques du génome (clusters ou régions introniques), donnant des pré-microARNs.
2. Les pré-microARNs adoptent une structure en épingle à cheveux.
3. Première maturation dans le noyau : une ribonucléase (Drosha) clive les régions non importantes, libérant un pré-miRNA plus court en épingle à cheveux.
4. Le pré-miRNA sort du noyau via l'exportine 5 + Ran-GTP et se retrouve dans le cytoplasme.
5. Deuxième maturation dans le cytoplasme : une nouvelle ribonucléase (Dicer) achève la maturation en enlevant la boucle et en détruisant un des deux brins.
6. Le brin "guide" (celui qui reconnaît la séquence cible) s'associe à des protéines pour constituer un complexe RISC.

Mécanismes d'action des microARNs

• Le complexe RISC cible une séquence ARN par appariement du brin guide.
• La reconnaissance se fait par complémentarité des bases (8 bases, pas nécessairement stricte, permettant à un microARN de cibler plusieurs ARNm).
• Deux types de conséquences :
  1. Inhibition de la traduction (la plus fréquente) si la cible est un ARNm :
     • Dissociation de la PABPC (PolyA Binding Protein).
     • Inhibition du complexe d'initiation de la traduction eIF.
     • Désadénylation de la queue PolyA de l'ARNm.
  2. Clivage et dégradation des ARN cibles.
• L'action d'un microARN empêche l'expression de la protéine cible, soit par inhibition de la traduction, soit par dégradation de l'ARNm.

Transport et transfert des microARNs

• Les microARNs régulent le fonctionnement de la cellule où ils sont produits.
• Ils peuvent être exportés de la cellule :
  • Associés à des protéines de transport (AGO1-4) ou des lipoprotéines (HDL, LDL).
  • Inclus dans des vésicules (corps apoptotiques, vésicules sécrétées, exosomes).
• Les microARNs se retrouvent dans la circulation et peuvent être transférés d'une cellule à l'autre via des récepteurs de surface, permettant la transmission d'informations et la régulation d'autres cellules.

MicroARNs et pathologies

• Les microARNs régulent des gènes et des voies métaboliques.
• Certains microARNs sont impliqués dans la différenciation, la prolifération, les maladies cardiovasculaires, la régulation des métabolismes, les maladies infectieuses et le cancer.
• Des microARNs peuvent être à l'origine de cancers en activant des oncogènes et en inactivant des anti-oncogènes.

Les microARNs en médecine

• Biomarqueurs (pour identifier un mécanisme ou une pathologie) :
  • Détection et quantification : l'élévation ou la diminution d'un microARN peut identifier une pathologie (cancer de la thyroïde, du pancréas) ou des facteurs de risque cardiovasculaires.
  • Indications : diagnostic, pronostic, surveillance-monitoring (réponse au traitement).
• Utilisation thérapeutique :
  • Exemple : Volanesorsen (oligo antisens anti apoCIII), un ARN antisens qui s'apparie à l'ARN cible de la protéine ApoCIII. Utilisé pour traiter l'hyperchylomicronémie familiale et les hypertriglycéridémies majeures.
  • Des microARNs sont proposés par des sociétés pharmaceutiques pour cibler des maladies infectieuses (HCV), des cancers (lymphome) ou la fibrose hépatique.

III. Épigénétique et méthylation de l'ADN

Épigénétique

• Même noyau et même génome dans chaque cellule, mais des phénotypes différents.
• L'épigénétique est un niveau supplémentaire d'informations qui régule l'expression du génome.
• Un seul génome identique, mais plusieurs épigénomes dus à des signaux développementaux, entraînant plusieurs phénotypes cellulaires.
• Définition : Ensemble des modifications transmissibles (d'une cellule mère à une cellule fille lors de la mitose, mais pas lors de la méiose) et réversibles de l'activité des gènes sans altération de la séquence nucléotidique (au niveau de l'ADN, ARN, protéine).
• Marque épigénétique principale de l'ADN chez les mammifères : méthylation des cytosines des dinucléotides CpG.

Méthylation des cytosines des dinucléotides CpG

• Seules les cytosines suivies d'une guanine (CpG) sont susceptibles d'être méthylées (ajout d'un CH3).
• L'ADN étant double brin et anti-parallèle, la méthylation est toujours symétrique (pas d'hémi-méthylation), sauf transitoirement lors de la réplication semi-conservative.

Où se trouve la méthylation de l'ADN ?

• Les CpG sont rares et leur distribution est inégale (abondants dans les promoteurs - îlots de CpG - et dans les séquences répétées, moins dans les séquences codantes).
• Les CpG des promoteurs sont généralement peu méthylés, tandis que ceux des séquences répétées sont presque toujours méthylés.

ADN Méthyltransférase 1 de maintien (DNMT1)

• DNMT1 est une enzyme de maintien, son activité est post-réplicative, permettant le maintien de la méthylation après réplication.
• Son substrat est un ADN hémi-méthylé.
• L'inactivation de DNMT1 in utero est létale, soulignant l'importance vitale de la méthylation.

Établissement de la méthylation

• L'établissement de la méthylation initiale se produit tout au long de la vie grâce à deux enzymes : DNMT3a et DNMT3b.
• L'inactivation de DNMT3a chez l'embryon de souris est létale en prénatal tardif.
• L'inactivation de DNMT3b est létale en postnatal précoce.

Syndrome ICF

• Immunodéficience, instabilité de l'hétérochromatine centromérique, dysmorphie faciale, retard de croissance, déficit intellectuel.
• Cause : hypométhylation limitée de l'ADN (1q, 9q, 16q péricentromérique) due à une mutation uniquement sur DNMT3b (transmission récessive).
• Cela souligne la spécificité des DNMT3a et DNMT3b. Des mutations de DNMT3b sont aussi retrouvées dans certains cancers hématologiques.

Déméthylation des cytosines

• Il n'existe pas d'enzyme capable de déméthyler directement l'ADN (thermodynamiquement impossible).
• La déméthylation se fait par une suite de réactions, c'est un processus plus lent que la méthylation.
• Elle implique plusieurs enzymes de réparation de l'ADN et peut suivre deux voies.
• Les trois autres modifications épigénétiques de l'ADN chez le mammifère sont l'hydroxyméthylation, la carboxyméthylation et la formylméthylation, dont les fonctions ne sont pas encore bien comprises.
• Le niveau de méthylation peut varier au cours de la vie, dépendant de la cellule et de son environnement.

Méthylation et répression transcriptionnelle

• Les méthylations et déméthylations permettent la répression transcriptionnelle.
• Les groupes méthyles sont accessibles aux protéines sur le grand sillon de l'ADN.
• Généralement, la méthylation inhibe l'expression d'un gène.
• Influence indirecte : certaines protéines (ex: MeCP1 et 2, MBD1 à 4) se fixent spécifiquement sur l'ADN méthylé (forte affinité). Ces protéines agissent comme des co-répresseurs associés, interagissant avec des histones déacétylases qui déacétylent les histones. Cela augmente les charges positives des histones, favorisant la compaction de la chromatine et le silence transcriptionnel (inactivation du gène).
• Influence directe : la méthylation peut réduire l'affinité des facteurs d'initiation de la transcription pour le promoteur, diminuant ainsi la transcription.
• Le niveau de méthylation des CpG d'un promoteur influence directement le niveau de transcription.

La méthylation varie-t-elle dans les cellules au cours de la vie ?

• Pour étudier l'épigénétique, on travaille souvent sur des jumeaux monozygotes pour s'affranchir de la variabilité génétique.
• Des études sur les lymphocytes de jumeaux monozygotes montrent que les différences de méthylation sont minimes à 3 ans, mais très importantes à 50 ans.
• La méthylation évolue énormément au cours de la vie, bien que cela dépende du type de cellule (moins de variations dans les cellules hyperspécialisées comme les hépatocytes).

Génétique et épigénétique

• Dans les cancers, on observe généralement une hypométhylation globale du génome (augmentation de l'expression des gènes).
• Parallèlement, il y a une hyperméthylation de certains gènes, notamment ceux qui sont anti-oncogènes ou suppresseurs de tumeurs, entraînant leur inactivation.

Bilan

• Épigénétique : Modifications transmissibles et réversibles de l'activité des gènes sans altération de la séquence nucléotidique.
• ADN : Méthylation des cytosines des dinucléotides CpG.
• Les méthylations sont vitales pour la cellule.
• La méthylation de l'ADN peut varier au cours de la vie d'une cellule.
• La méthylation d'un promoteur est souvent, mais pas toujours, associée à une inhibition de la transcription.