Les défis de la signalisation intracellulaire

Colloque organisé par Jean-Antoine Girault et Argus C. Nairn du 27 septembre au 2 octobre 2001.

Participants

Alessi Dario (University of Dundee, Grande-Bretagne), Bading Hilmar (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Grande-Bretagne), Bastiaens Philippe (European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Allemagne), Caboche Jocelyne (Université Pierre-et-Marie-Curie, Paris), Callebaut Isabelle (CNRS, universités Paris VI et Paris VII), Dikic Ivan (Ludwig Institute for Cancer Research, Uppsala, Suède), Enslen Hervé (INSERM, Paris), Ferrell James (Stanford University School of Medicine, Stanford, USA), Formstecher Étiеnne     (Collège de France, Paris), Gautreau Alexis (Institut Curie, Paris), Girault Jean-Antoine (Institut du Fer-à-Moulin, Paris), Grant Seth (University of Edinburgh, Grande-Bretagne), Lev Sima (Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israël), Mansuy Isabelle (Swiss Federal Institute of Teсhnology, Zurich, Suisse), Meyer Tibias (Stanford University School of Medicine, Stanford, USA), Nairn Angus (The Rockefeller University, New York, USA), Saudou Frédéric (Institut Curie, CNRS, Orsay), Sobel André (Institut du Fer-à-Moulin, Paris), Valjent Emmanuel (Institut du Fer-à-Moulin, Paris), Valtorta Flavia (San Raffaele Scientific Institute, Milan, Italie). 

Compte rendu

La transduction du signal est l’ensemble des mécanismes moléculaires qui transforment un signal reçu par une cellule en une réponse adaptée. Dans le cas des cellules, ce terme emprunté à l’électronique désigne une série de réactions biochimiques dont la connaissance s’est développée considérablement au cours des dernières années. L’étude de très nom­breuses réponses dans des organismes fort divers a montré que les réac­tions de transduction du signal sont généralement très conservées au cours de l’évolution, et que les mêmes mécanismes fondamentaux sont utilisés dans des réponses à des stimuli variés. Il est apparu ainsi que l’é­tude de la transduction du signal est une discipline transversale qui utilise des techniques et des concepts communs quels que soient les systèmes étudiés. Ainsi, les neurobiologistes, les immunologistes, les spécialistes des épithéliums, les endocrinologues ou les biologistes du développe­ment, pour n’en citer que quelques-uns, partagent le même intérêt pour les récepteurs à sept segments transmembranaires, les protéines G, les protéines kinases et phosphatases, les facteurs de transcription et les aut­res composants de base des réactions de transduction du signal.

De la grande quantité de données accumulées, il se dégage un certain nombre d’interrogations importantes qui posent des problèmes particu­lièrement difficiles à tous ceux qui étudient la transduction du signal. De manière schématique, elles peuvent se ramener à trois questions majeures.

La première découle des progrès récents du séquençage systématique de génomes entiers. Il fournot une grande quantité de données qu’il faut ensuite ordonner et interpréter. Les familles de gènes impliqués dans la signalisation sont parmi les plus nombreuses (récepteurs à sept segments transmembranaires, protéines kinases, petites protéines G etc.). Le nombre de gènes identifiés dépasse largement celui des récepteurs ou enzymes déjà caractérisés d’un point de vue fonctionnel. Il faut donc faire face à cette grande quantité d’informations pour tenter de comprendre ce qui est important dans une réponse cellulaire se produisant dans une condi­tion donnée. Existe-t-il des principes fondamentaux permettant d’expli­quer l’organisation de ces voies de signalisation, et quel degré de redon­dance présente-t-elle ?

La deuxième question, qui découle en partie de la précédente, porte sur le nombre des voies de signalisation qui peuvent opérer simultanément dans une cellule. Les chercheurs tentent naturellement de limiter le nombre de variables pour étudier une réponse à un stimulus, et histori­quement des voies importantes distinctes ont été mises en évidence(AМРс, Cal +, phosphorylation sur tyrosine, etc.). Il est rapidement apparu qu’il existe des interactions entre ces différentes voies et que les propriétés (notamment cinétiques) des réponses peuvent être complexes.

Comment donc faire face à la complexité des voies de signalisation? Quels sont les modèles mathématiques qui peuvent êtrе utiles dans ce domaine ?

La troisième question, qui peut sembler différente des deux premières, mais leur est en fait étroitement liée, porte sur la localisation précise dans la cellule des réactions de transduction activées par un stimulus extracel­lulaire. Une partie de la multiplicité des gènes impliqués dans la signali­sation est peut-être justifiée par la nécessité d’assurer des localisations cel­lulaires ou intracellulaires spécifiques pour différents composants homologues. D’autre part, la localisation de différentes protéines condi­tionne leurs possibilités d’interaction.

Le but de ce colloque était d’aborder ces trois questions en réunissant des spécialistes d’origines diverses, et en confrontant leurs expériences et leurs résultats pour tenter de dégager des approches nouvelles permettant de faire face aux défis actuels de la discipline.

Un premier volet des thèmes abordés a porté sur les méthodes d’ap­proche des données de structure primaire. Au début du colloque, Aigus Nairn (université Rockefeller) a mis en perspective la complexité des réseaux de signalisation en présentant un tableau général des enzymes impliquées, à la lumière des données de séquençage des génomes. Il a ensuite décrit un nouveau domaine protéine kinase qui présente la parti­cularité d’être apparenté à deux familles de domaines protéiques, les pro­téines kinases classiques et la succinyl coA synthétase. Ce domaine repré­sente vraisemblablement un maillon important pour comprendre l’origine évolutive des kinases. Face à la multitude des données de séquence, il est important de pouvoir reconnaître les domaines protéiques et les repliements structurels qui les caractérisent puisqu’on estime que le nombre de ces repliements est relativement faible (moins de mille, dont la moitié est déjà connue). Isabelle Callebaut (CNRS, laboratoire de minéralogie cristallographie, universités Paris VI et Paris VII) a présenté des méthodes sophistiquées d’analyse de séquence protéique pour recher­cher de nouveaux domaines protéiques conservés ou identifier des parents lointains à faible niveau d’identité de séquence.

Le deuxième volet abordé a concerné l’organisation des réseaux de signalisation et les mécanismes moléculaires qui contrôlent la spécificité des interactions moléculaires en leur sein. Dario Alessi (MRC, Dundee, Écosse) a présenté les protéines kinases de la famille AGC, en particulier un groupe de kinases activées en aval de la phosphatidyl-inositol-3 kinase. Utilisant principalement ses résultats concernant la PDK1, il a décrit les principes de reconnaissance et d’interaction dans cette voie de signalisa­tion dont il î montré l’importance par des expériences d’invalidation de gène. Hervé Enslen (INSERM, Institut du Fer-à-Moulin, Paris) a ensuite présenté les travaux qu’il avait réalisés dans le laboratoire de Roger Davis à Worcester (université du Massachusetts, USA), mettant en évidence les règles d’organisation des kinases de type MAP-kinases ; il a en particulier montré les principes de la spécificité d’activation des p38-MAP-kinases.

Étiеnnе Formstecher (INSERM, Collège de France, Paris) a présenté une protéine, PEA-15, qui régule le transport nucléaire de la kinase ERK et par conséquent son activité fonctionnelle. André Sobel (INSERM, Institut du Fer-à-Moulin, Paris) a présenté une famille de protéines qu’il a mise en évidence, la famille de la stathmine, régulée par phosphoryla­tion, capable de dépolymérisеr les microtubules. Ces protéines fournis­sent aux cellules un moyen de contrôler de manière globale ou localisée le cytosquelette en réponse à des facteurs extracellulaires. Le rôle de la phosphorylation dans le contrôle des interactions membrane/cyto­squelette a aussi été détaillé par Alexis Gautreau (CNRS, Institut Curie, Paris) qui a décrit son travail sur l’ezrine. Cette protéine intervient à la fois dans les événements induits par Rho dans les fibroblastes, comme la formation de contacts focaux et la transformation, et dans l’induction des lamellipodes dans les cellules épithéliales en activant Rac. Ces différents exposés ont bien mis en évidence l’état actuel de notre connaissance des réseaux de signalisation par phosphorylation. Jim Ferrell (Stanford University, Stanford, USA) a abordé les propriétés cinétiques de telles cascades de signalisation. Il a pris l’exemple de l’activation des MAP-kina­ses ERK par la progestérone dans les ovocytes de xénopе. Combinant approches expérimentales et modélisation, il a montré que cette cascade ne servait pas tant à l’amplification du signal qu’a sa transformation en réponse « tout ou rien ». L’utilisation de ce système modèle et les résul­tats ainsi obtenus soulignent l’importance dans ce domaine de mener de front l’étude eхpérimentale et les approches théoriques.

Une troisième série de communications a porté sur l’organisation et la localisation intracellulaire des voies de signalisation. Hilmar Bading (MRC, Cambridge, Grande-Bretagne) a montré que les variations du Cal+ intracellulaire peuvent coder pour différents signaux selon leur intensité et leur localisation. Il a ainsi disséqué les différentes voies de signalisation aboutissant à la régulation de la transcription. Philip Bxstiens (EMBL, Heidelberg, Allemagne) a présenté d’intéressants déve­loppements technologiques en imagerie cellulaire permettant de suivre l’état activé d’enzymes de signalisation à l’intérieur des cellules. Il a notamment montré qu’une vague de phosphorylation sur tyrosine du récepteur de l’EGF peut s’étendre largement au-delà des récepteurs direc­tement stimulés par f’EGE Une telle diffusion pourrait être due la géné­ration d’1202 qui inhiberait l’activité de protéines phosphatases. Poursuivant la caractérisation des récepteurs de facteurs de croissance à activité tyrosine kinase, Ivan Dikic (Ludwig Institute for Cancer Research, Uppsala, Suède) a mis en évidence le rôle de Cbl dans la régu­lation de la signalisation par ces récepteurs, contrôlant leur endocytose et leur dégradation. Tibias Meyer (Stanford University, Stanford, USA) a insisté sur le fait que les voies de signalisation sont davantage organisées en réseaux qu’en cascades linéaires. Il a présenté les approches nouvelles que son groupe développe pour aborder à grande échelle, et de façon sys­tématique, l’étude de la localisation et de la fonction des protéines. Ces approches sont déjà en cours de réalisation pour les petites protéines G. Il a ensuite utilisé l’exemple de la protéine kinase C pour montrer com­ment suivre la translocation intracellulaire de protéines dans les cellules vivantes par étude de formes fluorescentes. Flavia Valtorta (Institut San Raffaele, Milan, Italie) a utilisé des anticorps spécifiques des formes phosphorylées de la kinase activée par le Cal+ et la calmoduline, la CaIKII, et de la synapsine 1 pour mettre en évidence les variations loca­lisées du Са2+ intracellulaire dans les neurones.

Un quatrième groupe de communications avait comme thème central l’organisation des voies de signalisation dans les neurones, dans lesquels la compréhension des voies de signalisation est essentielle pour expliquer les propriétés fonctionnelles et les capacités d’adaptation. Seth Grant (université d’Édimbourg, Édimbourg, Écosse) a décrit les propriétés du récepteur NMDA du glutamate, qui joue un rôle central dans la plasticité synaptique. Des approches multiples menées par différents laboratoires ont montré que ce récepteur est associé à de nombreuses protéines de structure et/ou de signalisation. La délétion de nombre de ces compo­sants perturbe ou supprime les phénomènes de plasticité dans lesquels le récepteur NMDA est impliqué. Seth Grant a montré que ces perturba­tions peuvent se placer à différents niveaux et être hiérarchisées, permettant de mieux comprendre l’organisation fonctionnelle de complexes mul­timоléculaires Jean-Antoine Girault (INSERM, Institut du Fer-à­Moulin, Paris) a mis en valeur l’importance des tyrosines kinases non récepteurs dans les voies de signalisation activées par les neurotransmet­teurs dans le système nerveux. Divers messagers intercellulaires régulent ces enzymes, notamment FAK (Focal Adhesion Kinase), impliquée dans l’adhérence et la mobilité cellulaire. Une isoforme neuronale particulière de FAK présente un mécanisme d’activation différent de celui observé dans les autres cellules. Cette isoforme, activée dans l’hippocampe par le glutamate et par les endocannabinoïdes, peut permettre un couplage entre l’activité nerveuse et les modifications à long terme. Isabelle Mansuy (Institut fédéral suisse de technologie, Zurich) a présenté des résultats démontrant le rôle des kinases et des phosphatases dans la régu­lation de l’efficacité synaptique. Son approche basée sur l’expression d’ac­tivateurs ou d’inhibiteurs de voies enzymatiques chez des souris transgé­niques fournot des informations intéressantes sur leur rôle fonctionnel dans l’animal entier. Angus Nairn (université Rockefeller, New York, USA) a montré le rôle clé de la phosphatase 1 et de son inhibiteur, la DARPP-32, dans les neurones du striatum. La DARPP-32 est à la fois un médiateur des effets de la dopamine et un inhibiteur de ceux-ci lorsqu’elle est phosphorylée par la Cdk 5, permettant d’adapter leurs réponses de façon Inc. Jocelyne Caboche (CNRS, université Pierre-et-Marie-Curie, Paris) a caractérisé les voies de signalisation activées par le glutamate, mettant en évidence le rôle du facteur de transcription Elk et de la cas­cade de ERK, ainsi que le rôle de la voie PDK — Akt. Emmanuel Valjent (INSERM, Institut du Fer-à-Moulin, Paris) a présenté les travaux qu’il avait réalisés avec J. Caboche, mettant en lumière le rôle essentiel de ERK dans l’action des drogues toxicomanogènes. L’ensemble de ces communi­cations a mis en avant les progrès considérables réalisés dans la compré­hension des mécanismes de signalisation sous-tendant la plasticité neuro­nale, en particulier dans deux modèles très étudiés, l’hippocampe et le striatum. Ces progrès permettent d’aborder les perturbations de ces cas­cades au cours de situations pathologiques, comme la prise de substances toxicomanogènes, qui activent artificiellement et de manière excessive certains mécanismes normaux de plasticité synaptique. Les implications en médecine des mécanismes de signalisation intracellulaire ont été abor­dées directement au cours des deux dernières communications. Sima Lev (Institut Weizmann, Rehovot, Israël) a présenté une nouvelle famille de protéines impliquées dans le contrôle des GTPases, dont certaines muta­tions sont responsables de dégénérescence rétinienne. Frédéric Saudou (CNRS, Institut Curie, Orsay) a montré le rôle de la phosphorylation par Akt dans le contrôle des effets cytotoxiques de la huntingtine, ouvrant de nouvelles perspectives pour la compréhension et peut-être le traitement de la maladie de Huntington.

Par ailleurs, ce colloque a permis des échanges formels (au cours de séances de débat thématique) et informels entre des chercheurs venus de différents horizons, utilisant des approches très variées mais confrontés aux mêmes questions fondamentales. Les exposés ont contribué à mesu­rer l’importance des progrès réalisés au cours des dernières années dans la compréhension des voies de signalisation intracellulaire. lls ont aussi dégagé des approches et des technologies nouvelles permettant de répon­dre aux questions décrites dans l’introduction et qui représentent les défis actuels de ce domaine de recherche.