BIO CELL CM1 Signalisation Intracellulaire de la Division à la Mort Cellulaire I. Les principes de la signalisation Un corps humain est composé de centaines de milliards de cellules (60-10000 Milliards) qui sont organisées les unes par rapport aux autres. Par exemple une cellule pulmonaire n’est pas la même chose qu’une cellule rénale. Cela pose des questions majeures d’organisation, de prolifération et de processus de mort cellulaire parce que la construction d’un organe, la production de cellules ne va pas être quelque chose d’automatique. Il va y avoir des défauts, et donc on va avoir des processus de mort cellulaire. Donc quand on crée un organe comme un poumon, il va falloir produire un nombre de cellules suffisant pour produire cet organe. Il ensuite falloir arrêter la division au moment où la taille voulue, où l’organisation voulue est atteinte. Ensuite il faut éliminer les cellules qui présentent des défauts au cours de ces processus de division (il existe des systèmes de détection de ces processus, de ces anomalies induisant la mort de ces cellules) Au cours de ces processus, il y a 3 grands évènements majeurs : - La différenciation è C’est une cellule précurseur qui devient une cellule différenciée (cellules musculaires…). Cela met en place des programmes d’activation génique de différenciation - La prolifération è Division cellulaire - Apoptose è Mort cellulaire Évidemment que les mécanismes de prolifération et de mort programmée ne fonctionnent pas tout seuls. Ils vont dépendre de signalisations extérieures qui vont venir stimulée la cellule et déclencher des signalisations intracytoplasmiques et l’activation des gènes (de prolifération ou d’apoptose) Dans nos cours l’activité transcriptionnelle, la régulation de l’activité des gènes prendra beaucoup de place. A. L’Apoptose ou suicide cellulaire Il existe plusieurs formes de mort cellulaire. Par exemple, quand on se coupe, nos cellules meurent mais c’est une mort accidentelle (nécrose) L’apoptose est un suicide cellulaire, c’est-à-dire que la cellule va prendre la décision de mourir. C’est une mort active parce qu’elle va détecter des anomalies (c’est ce qu’on voit à gauche du schéma) Ce schéma représente une division cellulaire avec une cellule qui en donne 2. On voit que la cellule du haut a perdu un chromosome noir (anomalie). Cette anomalie va être détecter (pleins d’anomalies possibles). Le point qui est essentiel c’est qu’il y a un BIO CELL CM1 système de détection qui va entrainer la mort de la cellule (ou un suicide). Cette mort cellulaire est ce qu’on appelle le processus apoptotique C’est une image vidéo du processus apoptotique. Ce n’est pas de la modélisation mais ce sont des caméras qui sont mises au-dessus des cellules. On voit que les cellules meurent en explosant par ce processus d’apoptose. C’est un mécanisme actif on voit bien que la cellule va disparaître et ensuite être éliminée par le système immunitaire En fait, elles ont détecté des anomalies et décident de se suicider. C’est un mécanisme de protection de nos cellules, c’est quelque chose de très important. C’est également un mécanisme de réponse à la chimiothérapie Cancer = Apoptose défaillante B. Signalisation et Réponse cellulaire : Les différentes étapes Si on fait de la prolifération ou de la mort cellulaire, il faut qu’il y ait des effecteurs. Ce qu’on appelle des effecteurs, ce sont des protéines de prolifération ou des protéines d’apoptose qui vont apparaître et qui vont activer la division cellulaire/ le cycle cellulaire. La première chose à voir est donc de voir s’il y a des effecteurs ou pas. Si l’on veut activer le cycle cellulaire, il faut que ces protéines prolifératives apparaissent. Il va donc falloir les décrire. Ensuite, ces médiateurs doivent apparaître. Il y a une deuxième partie, qui est l’activation des gènes. Il y a un gène et un promoteur (zones de régulations). C’est le promoteur qui va permettre l’activation des gènes. Il faut donc savoir comment un gène est activé. Donc en partant de la droite, il faut des protéines de prolifération pour activer le cycle cellulaire. Ces protéines doivent apparaître, il doit donc y avoir une signalisation qui les fait apparaître (sinon la cellule se diviserait sans cesse). Cela s’explique au milieu parce que les gènes prolifératifs vont être à un moment donné activés. Ils vont être activés par une signalisation qui va venir de l’extérieur ( ? en haut). Et cette molécule qui donne la signalisation extérieure ne va pas rentrer à l’intérieur de la cellule, il va y avoir un relai avec des signalisations intracellulaires qui vont de proches en proches aboutir à l’activation des gènes prolifératifs, puis apparition des effecteurs et activation de la prolifération Ce que l’on vient de décrire est ce qui se passe en conditions normales (c’est dérégulé en conditions tumorales) C’est le même mécanisme pour l’apoptose et la différenciation BIO CELL CM1 C. Les communications cellulaires Nous venons de voir, qu’il y a un signal qui vient de l’extérieur ce qui sous-entend qu’une information peut passer entre une cellule de départ et une cellule cible. Il y a deux façons : - On voit en bas que l’information passe par des contacts directs entre la cellule sécrétrice et la cellule cible - La plupart du temps la cellule de départ produit une molécule de signalisation (en rouge) et c’est cette molécule de signalisation qui est reconnue par le récepteur de la cellule cible. Le fait que la cellule sécrétrice produise cette molécule est déjà quelque chose d’actif (décidé) Nous verrons la prochaine fois comment les récepteurs sont activés par ce que l’on appelle des ligands (molécule rouge). D. Réponse cellulaire et transcription Un autre grand principe est le suivant. En partant de la droite, on a de la prolifération ou de l’apoptose, on a besoin d’effecteurs et donc de protéines de prolifération ou d’apoptose. Les chaines correspondantes doivent être activées Sur le schéma du milieu on a un gène inactif en haut et actif en bas. Ce gène a pour but de produire un ARNm et on sait que l’activation de ce gène se fait par l’ARN Polymérase 2. Seulement l’ARN Polymérase 2 ne se fixe jamais seul sur un gène, son activité dépend de l’activation d’un facteur de transcription (molécule rouge) sur le promoteur. Sur le schéma le plus à gauche, on voit que le facteur de transcription (en rouge et boule noire pour montrer qu’elle est activée) ne va pas se fixer de manière spontanée sur le promoteur des gènes. Il va falloir l’activer (rôle de la signalisation). Une signalisation va transmettre un signal à l’intérieur de la cellule pour activer des facteurs de transcription qui vont migrer dans le noyau pour se fixer sur les promoteurs des gènes. Ainsi cela active la transcription. On aura donc production d’ARNm, puis de protéines qui dans notre cas vont activer la prolifération ou l’apoptose selon la signalisation étudiée ð La Réponse Finale de la Cellule est l’Activation d’un Facteur de Transcription qui Induit la Transcription des Gènes Cibles E. Spécificité des Voies de Signalisation On va donc regarder deux types de signalisation : - Prolifération - Apoptose Pour le moment, on considère que ces deux types de signalisations n’ont rien à voir entre elles. Les ligands qui induisent la division cellulaire, les signalisations cytoplasmiques responsables de la prolifération, les facteurs de transcription prolifératifs et les effecteurs de la prolifération BIO CELL CM1 qui vont induire la division n’ont rien à voir avec les molécules apoptotiques. On peut y trouver une certaine logique car une cellule qui se divise n’est pas une cellule qui meurt. On pourrait donc penser que ce sont deux types de signalisations, deux réseaux de protéines complètement différentes. F. Réponse de la cellule et Régulation du Cycle cellulaire On voit le ligand, la signalisation, la migration dans le noyau et l’activation d’un gène, la production d’un ARN et les effecteurs. Les effecteurs de la prolifération et de l’apoptose font partis d’un système plus général : le Cycle Cellulaire. Le cycle cellulaire c’est l’ensemble des molécules permettant à la cellule de se diviser et l’ensemble des molécules qui contrôle ce processus de division. On appelle ça un cycle car en général il faut 24h pour qu’une cellule humaines se divise en deux cellules filles. Donc l’ensemble des protéines qui régulent la prolifération vont aussi partis du cycle aussi bien les effecteurs positifs de la division que les effecteurs négatifs de l’apoptose G. Réponse de la cellule et Cycle Cellulaire Cette année, on va considérer 3 effecteurs : - Cycline D - p21 - p53 Quand on a un mitogène (ligand qui induit la division cellulaire), son but est de faire apparaître une protéine la Cycline D qui n’est pas présente dans des cellules qui ne se divisent pas. C’est donc un effecteur de prolifération. On verra qu’il y a des inhibiteurs de la prolifération cellulaire provoquant l’arrêt du cycle. C’est le rôle de p21 De même que l’apoptose dépend de l’expression de la protéine p53 BIO CELL CM1 H. Les différentes phases du cycle cellulaire Quand des cellules ne se divisent pas, elles sont en phase G0 (quiescence). C’est le cas de la plupart des cellules de l’organisme Tout à l’heure on a dit qu’il fallait 24h pour qu’une cellule se divise. Dans ces 24h, la mitose compte pour seulement 1 ou 2h. On a donc une 20aine d’heures d’évènements moléculaires successifs avant d’arriver en mitose (Phase M) La phase G1 c’est le moment où la cellule commence à rentrer dans le cycle. Elle dure environ 12h et a pour but de préparer la phase S. Donc de la phase G1, on passe à la Phase S. Puis nous passerons en phase G2 qui est une phase de préparation à la mitose. Donc dans le cycle cellulaire, on a 4 phases (G0 --) : - G1 - S (Réplication ADN) - G2 - M (Mitose) è Prophase è Prométaphase è Métaphase è Anaphase è Télophase Il y a deux moments clés dans le cycle : Phase S et Phase M car c’est le moment où on touche à la molécule d’ADN (moments de fragilités). On a vu sur cette petite animation que tant qu’il n’y a pas un alignement parfait des chromosomes durant la mitose, il n’y a pas de division cellulaire Ce n’est qu’un exemple du contrôle extrême qu’il y a dans le cycle. Divisions normales et anormales : - En haut ce qu’on voit c’est l’ADN - A gauche, on voit la séparation des deux fuseaux mitotiques. - A droite on voit des anomalies du cycle cellulaire. En effet, on a l’impression de voir 3 pôles. Il y a une séparation en 3 cellules qui est totalement anormale. Les cellules sont abîmées. Ce sont des cellules tumorales. BIO CELL CM1 I. Le complexe Cycline/cdk : Activateur de prolifération Le cycle cellulaire, donc la prolifération, le déclenchement du cycle cellulaire s’explique par l’activation de protéines appelées les CDKs. Ce sont des kinases, des enzymes qui phosphorylent d’autres protéines. Elles ne fonctionnent que lorsqu’elles sont associées aux cyclines. Si une cdk est seule, elle n’aura pas d’activité kinase, ne pourra pas phosphoryler. Pour déclencher son activité il faut qu’elle soit associée à une cycline. On peut favoriser cette association pour déclencher la prolifération ou à l’inverse empêcher cette association pour bloquer la progression du cycle cellulaire. Tout tourne autour de ce couple cycline/CDK. On doit connaitre ces couples de cycline/CDK, qui régulent chacune des phases : • Cycline D/CDK4-6 : régulent début de la phase G1, activée par le déclenchement de la CDK4 et donc le fait qu’elle se complexe à la cycline D. à Pas de cycline D= CDK pas active. • Cycline E/CKD2 : régulent la fin de G1 et début de la phase S, elles doivent s’associer pour fonctionner. • Cycline A/CDK2 : régulent le déroulement de la phase S • Cycline B/CDK1 : régulent déroulement de G2 et entrée en mitose. Il y a une spécificité d’association, de chaque CDK avec les cyclines correspondantes. La progression du cycle cellulaire va reposer sur l’apparition successive de ces cyclines. D apparait en début de G1, sur toute la phase G1, la E apparait en fin de phase G1, A en début de phase S, B en début de phase G2. Faire avancer le cycle cellulaire c’est fait apparaitre les cyclines pour les associer avec leur CDK correspondante. J. Activation des complexes Cyclines/CDK et progression du cycle cellulaire Les cyclines ne sont pas présentes tout le temps, pas cycline A, B, en début de G1, théoriquement il n’y a pas de cycline D en G2. Mais les CDKs sont présentes tout le temps, mais inactives lorsqu’elles ne sont pas complexées avec leur cycline correspondante. Le principe du cycle c’est que l’on a une CDK présente, une cycline absente. On a ne signalisation qui la fait apparaitre, on a ensuite une association et cela va permettre la progression du cycle cellulaire. K. Régulation de la prolifération cellulaire Le but de cette signalisation EC, de ces mitogènes induisant la division cela va être de permettre une augmentation de la quantité de cyclines. Quand on est en phase G1, G0, quand on sort de la phase de quiescence, c’est la cycline D qui est la 1ère mise en jeu donc la 1ère à devoir être augmentée car c’est elle qui est conservée par le début de la phase G1. Le but de la signalisation est d’augmenter l’expression de cette cycline. BIO CELL CM1 L. Complexe Cycline/CDK Cycline D/CDK4 surtout cycline D, va être la seule cycline sous l’influence externe. Les mitogènes, les ligands qui arrivent sur la cellule, pour déclencher la prolifération, touchent, ciblent ou induisent que l’expression de la cycline D. la cycline E, A,B, devront apparaitre après, ce sera une conséquence de l’activité du complexe cycline D/CDK4. Le point d’entrée du cycle cellulaire, c’est la cycline D. le rôle des signalisations qui viendront de l’extérieur, va être uniquement d’augmenter la quantité de cyclines D. Entre la cycline D et la E, il va y avoir 6 à 7h d’événements moléculaires, on a donc une cascade d’événements qui à un moment donné va faire que la cycline E va apparaitre, puis A, puis B. M. Mitogène et Activation Il faut comprendre quels sont les mitogènes qui induisent la division cellulaire, quel est la signalisation qui va sur le gène de la cycline D. En phase G0, le gène de la cycline D est inactif, on voit que le facteur de transcription prolifératif en rouge avec une petite boule noire est activé par cette signalisation cytoplasmique proliférative. Une fois que le gène de la cycline D va être activé, ceci va pouvoir activer CDK4 et de proche en proche, les autres cyclines CDKs. Les questions que nous allons aborder : Ø Savoir ce que c’est un mitogène Ø Comprendre comment ce mitogène fonctionne, appelés ligands. Il y a des récepteurs présents à la surface de la cellule qui vont répondre, fixer ces mitogènes et déclencher des signalisations intracytoplasmiques. Donc il y a des signalisations cytoplasmiques prolifératives que nous allons détailler Ø Activation de ces gènes prolifératifs Ø Faire la transcription pour comprendre l’activation des gènes (an prochain) Ø Cette année on va voir quelques exemples de facteurs de transcription prolifératifs, plutôt de la cycline D. Ø An prochain, on verra ce que font les cyclines CDK au cours du cycle, comment fonctionnent, quels sont les événements moléculaires qui ont lieu entre la phase G1, S et G2.
