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PACES-L2 UE Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies
18 Octobre 2012
Cycle, sénescence et mort cellulaires Comment tout intégrer ?
Morgane Le Bras
U944-UMR7212-Institut Universitaire d’Hématologie Hôpital Saint-Louis
morgane.le_bras@univ-paris-diderot.fr
Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes
Senescence • Réplicative • Oncogénique • SASP
Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie
Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes
Senescence • Réplicative • Oncongénique • SASP
Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie
Intervention des molécules cycliques dans l’évolution du cycle
M
DC
S
G2
G1
G0
START
Métaphase/anaphase
E/cdk2 (SPF)
B/cdk1 (MPF) A/cdk 2
A/cdk 1
D/cdk 4
D /cdk 6
4
6 complexes interviennent dans le cycle
Sécrétion des complexes au cours du cycle
Cyclines cdk Rôle dans le cycle
A Cdk2 S
B Cdk1 G2M / M
C Cdk8 Transcription
D Cdk4 / Cdk6 G0G1 / G1
E Cdk2 G1S
H Cdk7 Tout le cycle
SPF
MPF
Fonctionnement des cdk
• Les Cdk (cyclin dependant kinase) sont des sérine thréonine kinases enzymes catalysant la phosphorylation de séquences consensus (type : ser/thr-pro-X-arg/lys) de protéines cibles par transfert du groupement γ-phosphate de l’ATP sur des sérine ou thréonine.
• Les cyclines permettent aux cdk d’être actives, mais ne possèdent pas elles-mêmes d’activité enzymatique.
Protéine activée
Rôles des cdk
• Avancée dans le cycle : » Entrée en G1, exécution de G1
» Passage en S
» En G2
» Passage en mitose, exécution de la mitose
• Cibles : » Protéines d’avancée dans le cycle (tubulines…)
» Protéine Rb
• Mode d’action : » Phosphorylations activatrices
» Phosphorylations inhibitrices
Régulation de l’activité cdk
• Les cyclines exprimées de façon cyclique,
• Des protéines déphosphorylant et activant les Cdk : cdc 25
• Des protéines phophorylant les Cdk : • activatrices : CAK (Cdk Activating Kinase(=Cycline H/Cdk7))
Polo K
• inhibitrices : kinase Wee1 (phosphorylation inhibitrice Cdk1) (=Mik1)
• Des protéines inhibitrices : • CKI (Cdk Inhibitor) :
• Famille KIP/CIP : p16, p21, p27
• Famille des INK4
Régulation de l’activité cdk
Cycline A
Cdk 2
Cycline A
Cdk 1
Cycline D
Cdk 4
SPF :Cycline E/Cdk 2
Cycline D
Cdk 6
S
G2
M
G1
MPF : Cycline B/Cdk 1
P21
P21
P16
Wee1 Cdc25
Cdc25
Cycline H Cdk 7 CAK
Polo K
Activations Inhibitions
Les mitogènes
• Unicellulaires: division en fonction de la disponibilité en nutriments
• Pluricellulaires: coordination intercellulaire par mitogènes
– Une cinquantaine sont connus
– Spécificité variable (plusieurs types de cellules)
– Action proliférative ou inhibitrice selon cellule/ contexte
– e.g.: PDGF fibroblastes, muscles lisses, glie
Erythopoiétine précurseurs de GR
TGF-beta: mesenchyme, astrocytes
Phase G0
• Démantèlement de la machinerie du cycle (Cdk, ...) • Différentiation terminale: neurones - irréversible • réversibilité: e.g., foie <=> régénération possible
Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes
Senescence • Réplicative • Oncogénique • SASP
Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie
• Sénescence cellulaire
• Sénescence tissulaire
• Sénescence de l’organe
• Sénescence de l’organisme
Sénescence
• Mécanisme de réponse au stress – Hayflick & Moorhead (1961) – Important dans un environnement tumoral
• Blocage de la prolifération cellulaire – Insensibilité aux facteurs de croissance – Activité métabolique maintenue – Changements morphologiques
• Processus cellulaires impliqués:
– Raccourcissement des télomères – Upregulation du locus CDNKN2A – Accumulation de dommages de l’ADN
Sénescence cellulaire
• Sénescence cellulaire
• Sénescence tissulaire
• Sénescence de l’organe
• Sénescence de l’organisme
Sénescence
• Maladie d’Alzheimer
• Maladie de Parkinson
• Hypertension artérielle
• Dyslipidémies
• Athérosclérose
• Diabète type 2
• Syndrome métabolique
• Cancer
Maladies associées au vieillissement
• Sénescence réplicative vs sénescence induite par des oncogènes
– HRASG12V : importance des 2 suppresseurs de tumeurs INK4A et ARF
– Surtout activation de la voie Raf-Mek en aval de Ras
Lien sénescence et cancer
HrasG12V low ->hyperproliferation HrasG12V high ->senescence
Lien sénescence et cancer La voie Raf-Mek
• Sénescence réplicative vs sénescence induite par des oncogènes – HRASG12V : importance des 2 suppresseurs de tumeurs INK4A
et ARF
– Surtout activation de la voie Raf-Mek en aval de Ras
• In vivo, sénescence dans les lésions pré-malignes (souris et homme) – Pancreas, poumon, melanocytiques nevi
– Explique leur faible taux de croissance et leur faible degré de malignité
Lien sénescence et cancer
Senescence-messaging secretome: SMS-ing cellular stress Thomas Kuilman1 & Daniel S. Peeper
Senescence Associated Secretory Phenotype (SASP)
Senescence-messaging secretome: SMS-ing cellular stress Thomas Kuilman1 & Daniel S. Peeper
Senescence Associated Secretory Phenotype (SASP)
Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes
Senescence • Réplicative • Oncongénique • SASP
Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie
Aspects historiques
Carl Vogt
Principe d’apoptose (1842).
(système nerveux en développement et
métamorphose chez les amphibiens)
APOPTOSIS NECROSIS
NATURAL YES NO
EFFECTS BENEFICIAL DETRIMENTAL
Physiological or
pathological
Always pathological
Single cells Sheets of cells
Energy dependent Energy independent
Cell shrinkage Cell swelling
Membrane integrity
maintained
Membrane integrity lost
Deux voies principales induisent l’apoptose
Voie extrinsèque (type I)
Via récepteurs membranaires: Récepteurs de la famille TNF et Fas
Récepteurs de mort membranaires
Stimuli extrinsèques
Voie intrinsèque (type II)
Via organites cellulaires: Réticulum endoplasmique, mitochondrie,
lysosomes
Mitochondrie Stimuli intrinsèques
Caspases initiatrices (caspases 8)
APOPTOSE
Caspases effectrices (caspases 3-6-9)
DNases
Récepteurs de mort membranaires
Stimuli extrinsèques
Effecteurs indépendants des caspases
(EndoG, Smac/DIABLO)
Apoptosome (cytochrome c)
Mitochondrie
Stimuli intrinsèques
DNases
La voie extrinsèque: Cascade d’activation des caspases
ACTIVE CASPASE-8
Caspase 6
Caspase 7
Caspase 3
XIAP
DED p10
p20
p10
p20
PRO-DOMAIN
FLIP PROTEINS p10
p20 PRO-CASPASE-8
PARP Lamins
DNA fragmentation
APOPTOSE
Caspases initiatrices (caspases 8)
APOPTOSE
Caspases effectrices (caspases 3-6-9)
DNases
Récepteurs de mort membranaires
Stimuli extrinsèques
Effecteurs indépendants des caspases
(EndoG, Smac/DIABLO)
Apoptosome (cytochrome c)
Mitochondrie
Stimuli intrinsèques
DNases
La voie intrinsèque
1-Intégration
2-Initiation 3-Dégradation
Céramide, GD3, palmitate
Ca2+
Petites molécules: Atractyloside, Pro-oxydants
NAD(P)H ROS, NO
p53 Protéines virales:
(Vpr, Hbx, M11L,vMIA)
Kinases: PKCe, HK, JNK
Famille Bcl-2
p53
La mitochondrie: un intégrateur central
Les facteurs apoptogéniques
Cyt c
Cyt c
Apaf-1
Apaf-1
dATP
Pro Caspase-9
Pro Caspase-9
APOPTOSOME
Caspase cascade 3, 6 & 7
Caspase-9
APOPTOSE
DNA fragmentation
Cyt c
DM
Bcl-2
AIF, Endo G
Caspase cascade 3, 6 & 7
Smac/Diablo
XIAP
Deux fonctions distinctes:
1/ En conditions physiologiques: ouverture transitoire et dynamique
Régulation du flux de Ca2+, du potentiel redox, du pH matriciel …
2/ En conditions apoptotiques: ouverture continue = pore létal
Passage de petites molécules, d’ions, H2O, et relargage de facteurs apoptogéniques
+ + + - - -
Cyto c
MM<1500 Da
CL
Ca2+
OM
IM
CyD ANT
HK PBR
CK
VDAC
Le Pore de Transition de Perméabilité (PTP)
TROP: Atrophie tissulaire
TROP PEU: Hyperplasie
Neurodegeneration
SIDA
Etc…
Cancer
Artherosclerose
Maladies autoimmunes
Etc…
Apoptose et pathologies humaines
Aging --> both too much and too little apoptosis
(evidence for both)
Too much (accumulated oxidative damage?) ---> tissue degeneration
Too little (defective sensors, signals? ---> dysfunctional cells accumulate hyperplasia (precancerous lesions)
Apoptose et pathologies humaines Vieillissement
Quel système pour quelle fonction?
Dégradation spécifique: protéasome
- concerne les protéines à durée de vie courte
- spécificité déterminée par:
- acide aminé N-terminal
- séquences d’acides aminés spécifiques (ex: PEST)
- modification post-traductionnelle (ex: ubiquitine)
Dégradation non spécifique: autophagie
- concerne les protéines à durée de vie longue
- pas de spécificité apparente connue
Protéolyse & Autophagie
Niveau basal => renouvellement du contenu cytoplasmique (homéostasie
cytoplasmique: protéines , ARN, organites). Situation de carence nutritionnelle => favorise la dégradation protéique et fournit des acides aminés
essentiels.
Situation de stress => élimination des macromolécules et structures cellulaires altérées
(ex: protéines oxydées, mitochondries endommagées). Persistance => mort cellulaire.
Dégradation lysosomale ou autophagie
• Carence alimentaire ou en acides aminés
• Carence en facteurs de croissance ou hormones
• Stress intracellulaire (dommage ADN)
• Drogues ou agents chimiothérapeutiques
• Infections virales
• Choc thermique
• Radiations UV ou γ Induction maintenue
et importante
=> la mort cellulaire
Inducteurs :
Mort cellulaire par autophagie
Autophagolysosome
Amphisome
Endosomes
Lysosome
Membrane ou Phagophore
Autophagosome
Réticulum Endoplasmique
Golgi/TGN
Membrane plasmique
acides aminés libres
Mort cellulaire par autophagie
Phagophore
MAP1-LC3 (Atg8)
Atg12-Atg5
Autophagosome
Autophagolysosome
Amphisome
Endosomes
Lysosome
Class III PI3K/Beclin 1 (Atg6)
Prot - FYVE
Implication des Atg dans la formation de l’autophagosome
acides aminés libres
Mort cellulaire par autophagie
Autophagie induite par la carence = processus auto-régulé
hormone
PI3Kinase
mTOR activé
Autophagie basale
Synthèse protéique importante
Forte [aa]
hormone
PI3Kinase
mTOR désactivé
Faible [aa]
Autophagie forte
Synthèse protéique réduite
Autophagie=>survie ou mort cellulaire?
Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes
Senescence • Réplicative • Oncongénique • SASP
Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie
Métabolisme
Cycle cellulaire, sénescence, apoptose et métabolisme énergétique
• Mitochondries: effecteurs centraux de
– Métabolisme énergétique
– Espèces réactives de l’oxygène (ERO): -> génération & détoxification
– Apoptose
• Voies de signalisation des facteurs de croissance:
– accroissent le métabolisme -> cycle cellulaire
– favorisent fréquemment la survie
• Protéines de l’apoptose: régulent souvent le métabolisme énergétique
• Exemple Akt:
– captage de nutriments - GLUT1 / glucose ‘fuel’
– phosphorylation de l’hexokinase et phosphofructokoinase
glycolyse
– Enzyme de la glycolyse = Hexokinase • Dégradation du glucose
• Activité apoptotique via VDAC
si activité, apoptose via PTP
– Phosphorylation inactivatrice de Bad
si Akt (ou Ras/MAPK), déphosphorylation et apoptose
si glycolyse, Dcomplexe hexokinase/glucokinase/Bad
déphosphorylation et apoptose
Facteurs de croissance et métabolisme énergétique,
• Sirt1: histone acétylase NADH-dépendante (cf. Glycolyse)
• p53
• KU-70 (partenaire de Bax)
• FOXO (cibles: p21, p27, FAS/CD95)
• mTOR: kinase régulant notamment la traduction de mRNA
– des protéines ribosomiales
– Du cycle cellulaire
– De la matrice extracellulaire et de la motilité
– Inhibition par < AMP ou < glucose
– Activation par Akt et Ras
– Si inhibition soutenue: autophagie
Senseurs de l’état énergétique
Energie ou
taux d’AMP/ATP
m TOR
Atg1
Apport Nutritionnel
ou Amino acides
Membrane (Phagophore)
Autophagosome
Régulation Hormonale
PI3K Classe I
Synthèse protéique
Croissance cellulaire
Cycle cellulaire • Régulation • Mitogènes
Senescence • Réplicative • Oncongénique • SASP
Mort cellulaire • Apoptose • Autophagie
p53 et métabolisme
p53 monomérique
p53 tétramérique
WAF 1 GADD45 14-3-3-
G 1 S
G 2 M
STOP
STOP
Arrêt du cycle cellulaire
Apoptose
BAX PIG3 NOXA PUMA
PIDD
FAS Killer/DR5
p53AIP
BTG2
P53, un facteur de transcription
p53 et métabolisme (2)
Bensaad et al, Cell 2006
p53
APOPTOSE
GSH
ROS
TIGAR = TP53-Induced Glycolysis and Apoptosis Regulator
Sablina et al, Nat Med 2005
Gènes anti-oxydants
Gènes pro-oxydants
++ + -
++ + -
P53, mitochondrie et stress oxydant