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Les voies de transduction

La signalisation intracellulaire

UN RESEAU DE TYPE "INFORMATIQUE"...

La signalisation intracellulaire peut être assimilée à un réseau informatique (ou un système d’engrenages complexes) et est constituée de nombreuses protéines, ou molécules de signalisation, qui s’interagissent et se chevauchent.
Elle permet à une cellule de répondre aux signaux provenant des autres cellules et de l’environnement.
Sa régulation précise permet de maintenir un équilibre dans l’organisme et son altération serait à l’origine de troubles diverses, dont certains cancers.

UNE SIGNALISATION RÉGULÉE

Pour être efficiente, elle nécessite une reconnaissance précise des stimuli via des récepteurs spécifiques qui peuvent être classées en 3 familles de récepteurs couplés aux canaux ioniques, aux protéines G ou aux enzymes.

 L'ACTIVATION DU RÉCEPTEUR PAR SON LIGAND

Son rôle
L'interaction entre un ligand et son récepteur déclenche une cascade d’événements intracellulaires qui aboutit à une modification du comportement de la cellule.
L’activation d’une protéine de signalisation s’effectue habituellement par addition d’un groupement phosphate, le plus souvent au moyen d’une phosphorylation par une protéine-kinase* qui, selon le résidu phosphorylé, est une tyrosine-kinase, une sérine-kinase ou une thréonine-kinase.
Son inhibition s’effectue par soustraction du groupement phosphate par une protéine-phosphatase.

Les grandes voies de signalisation
Les voies de signalisation des MAPKc (Mitogen-Activated Protein Kinases), du NF-κB (Nuclear Factor-kappa B**) , de PI3K (Phospho-Inositide 3-Kinase), de JAK-STAT***, des TLR (Toll Like receptor)**** et NLR (NOD-like receptors) constituent les voies principales de transduction tout comme les voies dépendantes du calcium (Ca2++), de l’AMP cyclique et des protéines-kinases (PK), PKA et PKC.
 

 

* Du grec ancien κινέω (mouvoir, mettre en mouvement) avec le suffixe -ase. Enzyme ayant la propriété de catalyser une autre enzyme par transfert du radical phosphorique dont il est porteur.
** Le facteur transcriptionnel NF-κB joue un rôle central dans la réponse immunitaire et dans les réactions inflammatoires.
*** Système de transduction de signal composé d'un récepteur trans-membranaire, couplé à une enzyme janus kinase et une protéine de type STAT
**** Les TLR détectent différents produits microbiens et jouent un rôle prépondérant dans les réponses immunitaires innée et adaptative.

Les voies MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinases),

Les voies des MAPK (Mitogen-activated protein kinases)* et de NF-κB sont activées en aval de la plupart des récepteurs des facteurs de croissance. C’est une cascade essentielle de signaux de transduction qui contrôle la survie, la croissance et la différenciation cellulaire, mais aussi la transformation tumorale.
L’activation de la voie MAPK est initiée par les récepteurs à activité tyrosine kinase (RTK) qui sont des protéines transmembranaires. La liaison du ligand à son RTK induit l’activation du récepteur, par l’autophosphorylation de résidus tyrosine dans le domaine intracellulaire.
La voie des MAP kinases fait intervenir successivement RAS (dont KRAS est un isoforme), RAF (dont BRAF est une isoforme), MEK, ERK. Elle aboutit à la libération de facteurs transcriptionnels tels que Jun, Fos, Myc. Cette voie peut être ciblée à différents niveaux, par les inhibiteurs de BRAF ou les inhibiteurs de MEK1/2 (mekinib).
 

 

* Les voies de signalisation MAP kinase (MAPK) sont composées d’une succession de protéines kinases pouvant relayer des signaux extracellulaires aux différentes cibles intracellulaires localisées dans la membrane plasmique, le cytoplasme, le cytosquelette ou le noyau

La voie Ras/Raf/Mek/Erk

LES KINASES DE LA FAMILLE "RAF"

Elle est constituée de trois membres, A-RAF, B-RAF et C-RAF qui jouent un rôle déterminant dans la différenciation, la prolifération ou la régulation de la survie cellulaire. Ces trois isoformes sont codées par des gènes distincts mais présentent d’importantes homologies de séquence. Elles ont une organisation commune avec

  • Le domaine carboxy-terminal qui porte l’activité sérine/thréonine kinase
  • Le domaine amino-terminal est lui, régulateur, et peut interagir avec les protéines RAS activées. Le domaine amino-terminal concentre l’essentiel des différences de séquence entre les kinases RAF.
     

Les trois isoformes de RAF diffèrent entre elles en termes d’activité kinase. Elles sont capables d’activer une unique cible, MEK1/2 mais présentent d’importantes différences d’activité vis-à-vis de ce substrat. Plus spécifiquement, B-RAF est la kinase la plus active et constitue le principal activateur physiologique de la cascade MEK/ERK et une cible privilégiée pour les thérapies ciblées.

LA CASCADE

 

Voie RTK/RAS/ERK 

RASGAP

Ras<----SOS GRB2 RTK

Raf

MEK

Cibles nucléaires

 

LEUR IMPORTANCE

Les protéines RAF (A-RAF, B-RAF et C-RAF)
Elles constituent une famille de kinases qui jouent un rôle déterminant dans des événements cellulaires aussi importants que la différenciation, la prolifération ou la régulation de la survie. C'est un élément clé de l’oncogenèse modulant la prolifération cellulaire, la différenciation, l’apoptose et l’angiogenèse.

Les kinases RAF sont fréquemment activées par des dérèglements de l’activité des récepteurs à activité tyrosine kinase
Elles le sont, comme par exemple, par ceux induits par l’EGF (Epidermal Growth Factor) ou par des petites protéines G de la famille RAS (des mutations activatrices).

Des mutations somatiques activatrices de B-RAF
Elles ont été mises en évidence dans les mélanomes et certaines tumeurs de la thyroïde et du côlon. Une mutation en particulier, B-RAFV600E, est la plus souvent retrouvée. Cette mutation, localisée sur la boucle activatrice de B-RAF, maintient la kinase sous forme constitutivement active. 

Les voies des MAP kinases

LES ACTEURS

La famille des MAP (Mitogen-activated protein) kinases -MAPK

Elle comporte plusieurs enzymes interactives organisées en module à trois niveaux d’activation successive. Les trois voies principales des MAP kinases sont les voies des kinases :

  1. ERK1 et ERK2 (Extracellular signal-Regulated Kinases),
  2. p38 avec 4 isoformes dénommés α, β, γ et δ
  3. JNK (Jun N-terminal kinases), JNK1 ,JNK2 et JNK3
     

 Les MAP kinases
Elles sont impliquées dans de nombreux processus biologiques : ERK1 et ERK2 régulent la prolifération, la survie et la différenciation cellulaires, ou MAP kinases p38 et c-JUN sont impliquées dans la réponse inflammatoire, l'apoptose, le remodelage de la matrice extracellulaire, etc… 

 QUELQUES VOIES D'ACTIVATION

La voie MEK/ERK 
Elle est activée par des facteurs de croissance, des hormones ou des cytokines qui agissent par l’intermédiaire de récepteurs membranaires à activité tyrosine kinase.
L’activation incontrôlée de la voie MEK/ERK est un évènement fréquemment retrouvé dans les cellules cancéreuses. Elle peut survenir soit par un excès de sécrétion de facteurs de croissance par les cellules tumorales (mécanisme autocrine), soit par suractivation des récepteurs membranaires. Cette voie peut aussi être constitutivement activée après mutations des gènes RAS, B-RAF ou MEK.
Près de 30 % des tumeurs présentent des mutations activatrices d’un de ces trois gènes RAS N-RAS, K-RAS, H-RAS.

La voie Ras/MAPK (Mitogen Activated Protein Kinase)
C'est un élément clé de l’oncogenèse modulant la prolifération cellulaire, la différenciation, l’apoptose et l’angiogenèse. La position de la protéine Mek dans cette voie lui confère un intérêt dans les tumeurs mutées Kras ou Braf V600E/non V600E. De ce fait, elle est une cible thérapeutique qui a donné naissance à des nouvelles thérapies ciblées. 
Elle est régulée étroitement dans chaque cellule et son inactivation dépend des sérine/thréonine-phosphatases, des tyrosine-phosphatases et des phosphatases à double spécificité (Dual Specificity Phosphatases DUSP).

 

PhosphorylisationActivateurs

MAP-KKK ⇒ MAP-⇒ MAP-K

Facteur de transcription

Effets cellulaires

Récepteur à tyrosine kinase auto-phophorylisation
Voie du Ras ⇒ raf ⇒ MKKK1, 2 ⇒ ERK1, 3 
Voies du MAPK3K
⇓ 
Voie p38 ⇒ MKK4 ⇒ MKK 3,6 ⇒ p38
Voie JNK ⇒ MAK4,7 ⇒ JNK1, 2, 3

Activation
Elk1, c-Myc, AP1, ATF2, STAT, CREB, NF-ΚB…

Effets biologiques
Prolifération - Différenciation - Survie - Apoptose - Inflammation - Remodelage -MEC

 

La voie JNK (Jun N-terminal kinases)

Elle est activée principalement par deux kinases d’amont MKK4 et MKK7.
JNK activé stimule le facteur de transcription c-Jun qui peut alors former le complexe de facteurs de transcription AP-1 (transcription-factor complexe activator protein) en s’associant avec un autre membre de la famille des facteurs de transcription Jun et Fos. AP-1 a une distribution ubiquitaire et régule, entre autres, l’expression de métalloprotéases (MMP), de cytokines inflammatoires.
Les mêmes cascades d’activation existent pour les deux autres voies des MAPK : MEK1 et MEK2 activent ERK1 et ERK2 alors que MKK3/6 activent p38 MAP kinases.

La voie de PI3 kinase/Akt

UNE VOIE IMPORTANTE ET UNE CIBLE...

La voie PI3K-Akt-mTOR est une voie de signalisation intracellulaire jouant un rôle clé dans la résistance à l’apoptose et la prolifération cellulaire, ainsi que l’angiogenèse.....
Cette voie de transduction est souvent dérégulée dans les cellules cancéreuses. De fait, la plupart des protéines la constituant pouvant être soit mutées, soit délétées ou surexprimées selon les cas.
Cette voie est négativement régulée par PTEN** qui se comporte, de fait, comme un gène suppresseur de tumeur.
De plus, Akt possède plusieurs cibles d’aval, qui peuvent être activées ou inhibées, notamment la mTOR.

LES PHOSPHO-INOSIDES (PI)

Leur nature et leur rôle
Il sont aussi dénommés lipides à inositol*, sont des glycérophospholipides qui représentent environ 10 à 15 % des phospholipides membranaires. 
Ils constituent une famille de lipides qui contribue à l’assemblage et à l’organisation des complexes multiprotéiques, permettant de coordonner le maintien de l’intégrité de territoires cellulaires, l’organisation des voies de signalisation, la régulation du trafic intracellulaire, la dynamique du cytosquelette et la polarité cellulaire.

La phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K)
C'est une enzyme dont il existe trois classes. La classe de la PI3K à été la plus étudiée.
Elle peut être activée par les récepteurs à activité tyrosine kinase mais aussi par d’autres types de récepteurs comme les récepteurs couplés aux protéines G.
Elle est impliquée dans la croissance et la prolifération cellulaires.

PI3K ACTIVÉE

Elle stimule la phosphorylation des inositol phospholipides membranaires sur la position 3 du cycle inositol et génère des lipides membranaires. Ces phospholipides membranaires sont déphosphorylés par des inositol phospholipides phosphatases (PTEN)**.
L’activation de PI3K génère un signal qui recrute la protéine-kinase B (ou Akt) au niveau de la membrane cellulaire. Celle-ci se lie alors avec la PI(3,4,5)P3 et change de conformation permettant son activation par une protéine-kinase phosphatidylinositol dépendante (la PDK1). Akt activé est relâché dans le cytosol où il favorise la survie cellulaire en inhibant des protéines pro-apoptotiques et/ou la transcription des gènes qui les codent. 

LA PI3Kα

Elle joue un rôle majeur dans les processus de prolifération et de survie cellulaire, ainsi que dans la signalisation du récepteur de l’insuline.
Des mutations "gain de fonction" dans le gène PIK3CA qui code cette enzyme sont fréquemment retrouvées dans les cancers solides.
De plus, la présence de ces mutations sensibilise les cellules aux inhibiteurs de la PI3Kα ou de la voie mTORC1 (mammalian Target Of Rapamycin Complex 1).
Indépendamment des mutations, la PI3Kα est activée par de nombreux oncogènes et les mutations "perte de fonction" de la phosphatase PTEN** entraînent une suractivation de la voie mTORC1.

LES APPLICATIONS THÉRAPEUTIQUES

L’activité PI3K a été mise à jour à la fin des années 1980 comme étant associée à une oncoprotéine virale.
Les inhibiteurs de PI3K sont maintenant des médicaments principalement utilisés pour le traitement de certains cancers. Ainsi, l’idelalisib (Zedelig™), inhibiteur sélectif de la PI3Kδ de classe I est approuvé pour le traitement de la leucémie lymphoïde chronique (LLC) et du lymphome non hodgkinien (LNH) folliculaire. De fait, la PI3Kδ est principalement exprimée dans les leucocytes où elle joue un rôle clé en aval du récepteur pour l’antigène (B-cell receptor, BCR) dans les lymphocytes B...

 

* Molécule organique cyclique, constituée de six atomes de carbone formant le cycle et de six groupements hydroxyles (un hydrogène et un oxygène), chacun lié à un des carbones.

** PTEN (Phosphatase and TENsin homolog) est un gène suppresseur de tumeur très fréquemment muté dans des tumeurs malignes.
Des mutations germinales de ce gène sont responsables de syndromes héréditaires, en particulier de la maladie de Cowden caractérisée par une forte prédisposition aux cancers. 
La protéine PTEN est une phosphatase qui hydrolyse le phosphate situé en position 3 du phosphatidylinositol-triphosphate (PIP3), ce qui lui confère un rôle de régulateur négatif de la voie de signalisation intracellulaire contrôlée par la phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K) [2] (Figure 1). Cette activité lipide phosphatase est essentielle à la fonction onco-suppressive de PTEN.

AKT comme cible

Les inhibiteurs d'Ak peuvent être divisés en inhibiteurs compétitifs de l'ATP et inhibiteurs allostériques. 
L'ipatasertib est un inhibiteur « pan-Akt ».
Le capivasertib cible également toutes les isoformes Akt. Dans un essai clinique de phase II chez des patients présentant un cancer de la prostate métastatique résistant à la castration, le capivasertib en association avec l'enzalutamide, un médicament anti-androgène de nouvelle génération, a montré une activité antitumorale.
Plus récemment l'étude CAPItello a exploré l’intérêt de l’adjonction de capivasertib au fulvestrant chez des patientes présentant un cancer du sein RH+ mais HER2- ayant progressé après une première ligne de traitement antihormonal en situation métastatique.
L’association capivasertib/fulvestrant prolonge la durée de la maladie sans progression (PFS) de 40% dans la population générale et de 50% dans la population avec une altération de la voie AKT.
L'uprosertib est un autre inhibiteur pan-Akt compétitif de l'ATP.
L'afuresertib est un inhibiteur ciblant à la fois Akt1 et Akt2. Dans un essai, cette molécule a montré une certaine efficacité dans le traitement du mésothéliome pleural.

La voie de NF-κB

LES PROTÉINES NF-κB

Les protéines NF-κB (Nuclear Factor-kappa B) sont, chimiquement des dimères* formés à partir de 5 protéines. Elles sont exprimées dans tous les organes et se lient, notamment, au promoteur du gène codant pour la chaîne légère kappa (κ) des lymphocytes B.
La voie de NF-κB est une voie majeure des organismes vivants et sa délétion, chez l’animal, est létale. Elle régule principalement la communication intercellulaire, la réponse immunitaire innée et adaptative et la réponse inflammatoire. 
Elle est impliquée dans les pathologies inflammatoires, le cancer, l’athérosclérose ou encore le diabète.
La famille de NF-κB comporte 5 membres : RelA (ou p65),RelB, RelC, p50 (ou NF-κB1) et p52 (ou NF-κB2) qui s’associent pour former des homodimères** et des hétérodimères**.
Les dimères de NF-κB sont maintenus inactifs par les protéines de la famille des inhibiteurs de NF-κB (IκB ou inhibitors of NFκ B).

L’ACTIVATION DE NF-κB

Elle est sous le contrôle de IκB kinase (IKK) et de la sous-unité régulatrice NEMO (NFκ B essential regulator). Le NF-κB peut être activé par deux voies :

  • La voie classique est activée par de nombreux stimuli comme les cytokines inflammatoires, les produits bactériens ou viraux, le stress, les radicaux libres dérivés de l’oxygène, les ultraviolets et les rayonnements ionisants, etc.…Ces signaux induisent la dégradation de IκBα et l’accumulation nucléaire, essentiellement, du dimère RelA-p50 qui régule l’expression de gènes impliqués dans la réponse immunitaire et la mort cellulaire.
  • La voie alternative est activée par des récepteurs impliqués dans l’organogenèse des tissues lymphoïdes et le développement des lymphocytes comme le récepteur à la lymphotoxine-β‚ ou encore le récepteur au facteur activateur des lymphocytes B (BAFF - B cell-activating factor)

* Dimère = composé formé par la liaison de deux molécules, identiques ou non.
** Homodimère : molécule constituée de deux protomères (monomère) identiques, par opposition aux hétérodimères constitués de deux protomères différents.

Les 5 voies » de signalisation impliquées dans le cancer...

Circuits

RAS

pRb

P53

Télomères

Impliqués dans la dérégulation des circuits

Ras
MEK
Akt/PKB
MEK+IKBK
PAK1
Akt/PKB

SV40 LT
CDK4 + D1
HPV E7
Rb shRNA

SV40 LT
DN p53
HPV E6
P53
shRNA

hTERT
myc = SV4O LT

Conséquences

Induction de la division cellulaire

Perte du contrôle du cycle cellulaire

Perte de contrôle de l’intégrité de l’ADN

Induction de l’immortalité

LES VOIES DE TRANSDUCTION & CANCER....

ALTERATION DES FACTEURS DE CROISSANCE CELLULAIRE
ANOMALIES DES RÉCEPTEURS DE FACTEURS DE CROISSANCE (constitutivement actifs, surexpression, inactivation)
PROTEINES G MONOMERIQUES (constitutivement active)
PROTEINES KINASES CYTOPLASMIQUES (activation constitutive - MAPKKK, Src)
FACTEURS DE TRANSCRIPTION (mutation gène codant NFκB, SMAD)

Mise à jour

1er juin 2023