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Overview
Signal Transduction Education  
Active Learning Projects - Herceptin Project - Group 3    
 
HERCEPTIN
Groupe 1   Groupe 2   Groupe 3   Groupe 4   Groupe 5   Instructions du Projet
 
1. Pathologie du cancer du sein
2. La génétique moléculaire du cancer du sein
3. Les recepteurs ERBB et leurs voies de signalisation
4. Les inhibiteurs d’EGFR (ERBB1) et d’ERBB2
5. Traitement du cancer du sein
Instructions du Projet

active learning, any time, any place and anywhere

3: Les recepteurs ERBB et leurs voies de signalisation

Sommaire:
I Introduction à la signalisation cellulaire
II Signalisation cellulaire et cancer du sein
III Signalisation par la famille de récepteurs ERBB; les récepteurs à tyrosine kinase
IV Régulation de l’activité des récepteurs à tyrosine kinase
V Trastuzumab, anticorps à but thérapeutique qui reconnait le récepteur ERBB2
VI Erlotinib, un inhibiteur du domaine kinasique
VII ERBB2 et cancer du sein:les voies de signalisation en aval des récepteurs ERBB2/EGFR
VIII ERBB2 augmente l’efficacité des voies de signalisation

Auteurs: Loïc Couderc, Jonathan Dalaine, Yann Duchartre, Kassem Makki, Pierre Christian Violet. Etudiants du module BCP608 » signalisation cellulaire «, Université Bordeaux, Mai 2007.

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I Introduction à la signalisation cellulaire

reddot Toutes les cellules sont séparées du milieu extérieur par une membrane lipidique, qui constitue une barrière quasi-infranchissable pour la plupart des molécules se trouvant dans l’environnement proche. Pourtant, une cellule a des besoins de métabolites pour maintenir ses composants structuraux et produire son ATP. Elle doit donc importer des substances provenant de l’extérieur. Par ailleurs, une cellule est au service d’un organisme, et doit donc être aussi à son écoute, pour pouvoir satisfaire ses besoins à tout moment. Il devient évident que la cellule, pour assurer sa propre existence et celle de l’organisme tout entier, a besoin de communiquer avec son environnement, que ce soit avec les cellules très proches d’elle, ou bien avec des cellules très éloignées.

reddot Pour cela, l’évolution a mis en place un système très performant de protéines permettant le transport à travers la membrane et la communication entre la cellule et son environnement. La communication se fait par le contact direct entre cellules ou entre cellules et messagers solubles (hormones, neutrotransmetteurs ou encore facteurs de croissance) présents dans l’environnement extracellulaire (liquide interstitiel, lymphe et sang). Les protéines impliquées dans cette communication sont des récepteurs (substance réceptive), dont le rôle est, comme son nom l’indique, de recevoir et transmettre vers l’intérieur le signal porté par le messager. Dans les études sur l’interaction du récepteur avec son messager, ce dernier est très souvent qualifié de » ligand «.

reddot Le récepteur, généralement ancré dans la membrane plasmique de la cellule, présente une affinité chimique spécifique d’un messager particulier. Il existe des milliers de récepteurs différents, comme l’illustre l’exemple de la fonction olfactive à laquelle 1000 récepteurs à des substances odorantes sont consacrés.

reddot Le signal porté par le messager doit être traduit en signaux chimiques intracellulaires capables de modifier le comportement de la cellule. Cette modification peut être une contraction musculaire, le relargage d’une enzyme digestive, la perception de lumière, la perception de pression etc, etc. La cascade d’événements intracellulaires visant à convertir la fixation du messager sur son récepteur en un message clair, compréhensible pour la cellule est appelé la transduction du signal. Pour l’illustrer, on pourrait prendre l’exemple d’une enceinte de chaîne Hi-fi. Lorsqu’on écoute un CD ou une cassette, le lecteur produit de l’information électrique. Cette information électrique, nous ne pouvons pas la comprendre, ni la percevoir avec nos sens. C’est pour cela que l’enceinte se charge de convertir le message électrique en vibrations: la membrane de l’enceinte vibre, ce qui crée le son que nous entendons.

Figure 01 Le premier messager, son récepteur et la transduction du signal

reddot Le premier messager, est une hormone, un neurotransmetteur, une cytokine ou encore un facteur de croissance. C’est une substance sécrétée par des cellules, organisées en glandes dans le cas de production des hormones, déversée dans le tissu et/ou le sang. A l’exception du neurotransmetteur, elle circule dans tout le corps et se fixe sur les récepteurs membranaires qui lui sont spécifiques. Signalons qu’il existe dans notre corps plus d’une centaine de types cellulaires différents, aux fonctions très variées, et qui ne vont donc pas exprimer à leur surface les mêmes récepteurs.

reddot Pour éviter que les récepteurs signalent » spontanément « les cellules ont adopté un mécanisme par lequel seuls les récepteurs dimérisés (deux récepteurs intimement liés) sont capables de passer le message. Ce sont les premiers messagers qui induisent cette dimérisation. Le rapprochement des domaines extracellulaires induit alors le rapprochement mutuel des parties intracellulaires des deux récepteurs. Pour certains messager il peut s’agir de deux récepteurs identiques, on parle alors d’homodimère, mais pour d’autres il s’agit du rapprochement de deux récepteurs différents; on parle alors d’hétérodimère. Ce rapprochement est important pour conduire le signal à l’intérieur. En effet, les deux parties intracellulaires s’activent mutuellement, l’activité enzymatique est augmentée et l’on dit que les récepteurs sont activés.

reddot Les domaines intracellulaires des récepteurs aux facteurs de croissance portent une activité kinasique. Une kinase est une enzyme qui enlève un phosphate (nommé aussi groupe phosphoryle) de l’ATP et le transfère sur un substrat (une protéine). Les acides aminés sur lesquels est transféré le phosphate sont le plus souvent une sérine, une thréonine ou une tyrosine (cas des récepteurs aux facteurs de croissance et à l’insuline).

Figure 02 Dimérisation du récepteur à l’EGF (ERBB1)
L’ hétérodimèrisation (Erbb1/Erbb2) nécessite de la part d’Erbb1 un changement de conformation qui le fait passer de la forme repliée (sans ligand) à la forme ouverte (avec le ligand). Sous cette forme, Erbb1 pourra alors former un dimère (homodimère Erbb1/Erbb1 ou hétérodimère Erbb1/Errb2 (ou /Errb3 ou /Errb4). La particularité de l’hétérodimère représenté sur figure 1 est que ERBB2 ne nécessite pas la fixation d’un quelconque ligand pour pouvoir se dimériser. Il est toujours en position ouverte.

reddot Le premier substrat d’un récepteur à l’EGF activé est le domaine intracellulaire de son voisin homologue. Les domaines intracellaires sont phosphorylés sur plusieurs tyrosines. Ces phosphotyrosines servent à attirer de nombreuses protéines présentes dans le cytoplasme, qui vont initier une cascade de réactions chimiques, pour produire, in fine, un message compréhensible par la cellule. Ces protéines vont donc être à l’origine d’une réponse cellulaire et c’est pour cela qu’on les qualifie de » protéines effectrices «. La réponse cellulaire a lieu à deux niveaux; une réponse immédiate (par exemple la sortie d’une vésicule vers l’extérieur de la cellule) ou une réponse à long terme, qui passe par un changement de l’expression de gènes (par exemple, division de la cellule). Les réponses à long terme sont à la base de la plasticité de la cellule et à une plus grande échelle de l’organisme (moyen pour lui de s’adapter aux changements de l’environnement).

reddot Let effecteurs peuvent, à leur tour, mobiliser plusieurs protéines pour réaliser la réponse au signal. Parmi les possibilités: un canal ionique ou une pompe qui permet le passage vers le cytoplasme d'un second messager, comme l'ion Ca2+, ou une phospholipase ou une protéine kinase ou encore un facteur de transcription. Dans certains cas, l’effecteur a pour rôle d’amplifier le signal, citons par exemple l’adénylate cyclase et la guanylate cyclase.

II Signalisation cellulaire et cancer du sein

reddot Toutes ces cascades de réactions qui se produisent dans la cellule lui permettent de modifier son activité, qu’il s’agisse d’une ouverture de certains canaux membranaires pour faire entrer ou sortir des ions, ou qu’il s’agisse d’activer ou d’inhiber l’expression de certains gènes, ou encore de provoquer l’exocytose d’une vésicule. Il est sûr que, pour que l’ensemble fonctionne de manière harmonieuse et permanente, toutes ces réactions doivent être rigoureusement régulées et contrôlées. Ce contrôle est assuré lorsque les gènes de la cellule sont en bon état, et qu’ils n’ont pas subi de dommages par le biais de mutations (pour plus d’information voir: ADN, son code génétique, sa transcription et la traduction du messager sur le ribosome).

reddot Dans l’exemple du cancer du sein, une des anomalies est la présence de nombreuses copies du gène codant le récepteur du facteur de croissance EGF (ERBB2). Ces copies entrainent à leur tour la surexpression du récepteur ERBB2 dans la cellule, surexpression qui va entraîner une dérégulation des cascades intracellulaires déclenchées par la fixation de l’EGF sur son récepteur. Cette dérégulation est lourde de conséquences, puisqu’elle contribue à l’agressivité du cancer du sein: forte croissance des cellules et métastases (voir projet 2: » génétique moléculaire du cancer du sein «).

reddot Pour lutter contre cette maladie, une idée proposée par les chercheurs a été de fabriquer un anticorps dirigé contre le récepteur ERBB2, afin de bloquer en amont les effets indésirables de sa surexpression. Dans une quatrième partie nous verrons en détail le mode de fonctionnement de ce médicament connu sous son nom générique » trastuzumab « et également sous l’appellation commerciale » Herceptine «. Mais avant cela, il paraît évident que pour comprendre cette maladie, il nous faut d’abord plonger au cœur de la cellule et se pencher sur les réactions qui y ont lieu, afin de situer précisément le problème. Une très bonne connaissance des voies de signalisation des récepteurs ERBB est une première étape indispensable pour mettre au point de nouveaux médicaments, afin de traiter ce cancer.

reddot Pour atteindre ce but, il faut d’abord bien connaître la famille des récepteurs à l’EGF et son histoire évolutive, puis découvrir les voies de signalisation relatives à ces récepteurs et diagnostiquer le problème. C’est l’objectif de la partie qui suit.

III Signalisation par la famille de récepteurs ERBB; les récepteurs à tyrosine kinase

reddot Les récepteurs aux facteurs de croissance sont des récepteurs membranaires dont l'occupation du domaine extracellulaire se traduit par une activité enzymatique intracellulaire due au récepteur lui-même (activité intrinsèque). Ils sont très importants chez les animaux car ils interviennent dans de nombreux processus, de régulation de la division cellulaire et dans l'immunité. Ces récepteurs sont des molécules transmembranaires comportant un site récepteur sur la face extracellulaire et un site tyrosine kinase sur la face interne. Les deux parties sont reliées par un seul segment transmembranaire (voir figure 04).

a- La famille des récepteurs ERBB:

reddot Le récepteur d’EGF est un membre de la famille des récepteurs tyrosine kinase ErbB, Cette famille est composée de 4 membres: ErbB1 (aussi appelé HER1 ou récepteur au facteur de croissance de l’épiderme (EGFR), ErbB2 (ou HER2) également appelé Neu chez le rat, ErbB3 (HER3) et ErbB4 (HER4) (lien avec excursion)

reddot Les récepteurs de la famille ErbB sont fortement exprimés dans le tissu épithélial, le tissu conjonctif (sous-jacent aux épithéliums) et le tissu nerveux. Ces récepteurs jouent donc un rôle critique dans le développement en général et en particulier dans celui des glandes mammaires. Leur dérégulation, en particulier celle de l’ERBB2, est à l’origine de nombreuses pathologies humaines: cancer du sein, du poumon, de l’ovaire et du cerveau (gliome).

reddot Douze ligands sont actuellement connus pour ces 4 récepteurs, offrant un grand nombre de combinaisons possibles, procurant ainsi une grande diversité des voies de signalisation. Nous nous concentrerons sur l’EGF et les récepteurs EGFR et ERBB2.

Figure 03 La famille des protéines ERBB et leurs ligands

b- Données structurales des récepteurs EGFR et ERBB2:

reddot De récentes études en cristallographie effectuées sur les domaines extracellulaires et intracellulaires des récepteurs EGFR, ont révélé l’architecture typique des récepteurs ERBB.

Le domaine extracellulaire

reddot Ce domaine comporte environ 630 acides aminés et 4 domaines: I, II, III et IV. La structure cristallographique du récepteur de l’EGF montre qu’il se lie à un autre récepteur en impliquant les domaines I et III qui fixent le ligand. La comparaison des structures des domaines extracellulaires de ErbB2, ErbB3 et ErbB1, indique que les domaines I et II et les domaines III et IV conservent la même orientation relative. Mais l’orientation des paires I-II et III-IV est très différente (voir fig-4).

Figure 04 Les domaines protéique et la structure moléculaire du récepteur à l’EGF
Représentation de la structure du domaine extracellulaire d’ErbB2 en vert et ErbB3 en rouge après superposition des domaines III et IV

reddot Le récepteur ERBB2 est en configuration » ouverte «, alors que les autres récepteurs en absence de ligand sont en configuration » repliée«. Seule la fixation du ligand, mettra les récepteurs en configuration ouverte. La conformation ouverte en permanence d’ErbB2 lui permet d’interagir comme partenaire privilégié avec les autres partenaires dans l’état ouvert, formant ainsi un hétérodimère. Les hétérodimères les plus formés à la surface de la cellule sont: ErbB2/ErbB3, ErbB2/ErbB4 et ErbB1/ErbB4. Il est important de savoir que la surexpression d’ErbB2 augmente les chances de dimérisation/activation des récepteurs non-liés à leur ligand. Cela génère spontanément les signaux de prolifération, sans qu’il y ait présence de facteurs de croissance.

Le domaine intracellulaire

reddot Aujourd’hui, il n’existe pas de structure cristallographique du domaine intracellulaire du récepteur ERBB2. Cependant, des chercheurs ont déterminé par cristallographie aux rayons X la structure du domaine kinase du récepteur à l’EGF (ERBB1). L’alignement de séquences entre les domaines tyrosine kinase d’ERBB2 et EGFR révèle une homologie de 81%, ce qui suggère que les domaines tyrosine kinase des deux récepteurs adoptent une structure très similaire.

reddot BLe domaine kinase du récepteur EGF est constitué de deux lobes, un petit lobe du côté N-terminal qui comprend des feuillets-β et une hélice-α, et un grand lobe du côté C-terminal qui comprend surtout des hélices-α. A l’interface de ces deux lobes on trouve le site de fixation d’ATP et la fente catalytique (site d’accès du substrat). Enfin, la queue C-terminale de 40 acides aminés porte de nombreuses tyrosines qui sont substrats de la kinase.

IV Régulation de l’activité des récepteurs à tyrosine kinase

reddot Les récepteurs sont activés par les facteurs de croissance comme évoqué ci-dessus. Le récepteur actif est un récepteur dimérisé (par le facteur de croissance) et phosphorylé (dans son domaine intracellulaire). Ces récepteurs interagissent avec des effecteurs et transmettent un signal vers l’intérieur de la cellule. L’affinité du facteur de croissance pour son récepteur est très forte, c'est-à-dire, qu’une fois fixé, il ne se détache plus si bien que le signal devrait se propager indéfiniment. Deux processus existent donc pour arrêter le signal: 1) phosphatases, qui déphosphorylent la phosphotyrosine, évitant ainsi l’attachement des protéines effectrices; 2) internalisation et dégradation des récepteurs. Les deux modes sont opérationnels dans toutes les cellules.

Figure 05 Régulation de l’activité du récepteur à l’EGF par internalisation et par les tyrosine phosphatases

V Trastuzumab, anticorps à but thérapeutique qui reconnait le récepteur ERBB2

reddot Des chercheurs ont résolu en 2004, la structure cristallographique du domaine extracellulaire d’ERBB2 complexé avec un fragment de Trastuzumab (fragment de l’anticorps). Le pertuzumab est un anticorps monoclonal dirigé contre le récepteur ErbB2, connu sous le nom de 2C4 ou omnitarg. Le pertuzumab est actuellement évalué en phase II sur des patients atteints de tumeurs du sein, du poumon, de la prostate et de l’ovaire, dans lesquelles le récepteur ErbB2 est surexprimé. Il se fixe près du centre du domaine II d’ErbB2. La fixation ne bloque pas la boucle de dimérisation d’ErbB2 et n’empêche pas son hétérodimérisation (avec le récepteur EGFR ou ERBB3), mais elle empêche néanmoins la signalisation. De plus, la fixation de l’anticorps augmente à la fois l’internalisation du récepteur et la réponse immunitaire contre la cellule cancéreuse.

Figure 06 Structure moléculaire de trastuzumab lié au récepteur ERBB2

VI Erlotinib, un inhibiteur du domaine kinasique

reddot L’erlotinib est un agent anti-cancéreux qui fixe la protéine kinase à l’endroit ou normalement se fixe l’ATP. Dans cet état, la protéine kinase est inhibée car elle ne peut pas transférer de groupement phosphate sur son substrat.

Figure 07 Structure moléculaire du domaine kinasique en présence de l’inhibiteur Erlotinib.

VII ERBB2et cancer du sein:les voies de signalisation en aval des récepteurs ERBB2/EGFR

reddot PDans 25% des cancers du sein, ERBB2 est surexprimé à la surface des cellules. Les effecteurs qui s’associent avec les récepteurs dimérisés et phosphorylés vont activer différentes voies de signalisation pour transmettre le signal du ligand (EGF, neuréguline) dans la cellule (figure 08).

Figure 08 Les différentes voies de signalisation en aval des récepteurs ERBB2/EGFR dimérisé

a- Description de la voie Ras-MAPK

reddot Dans le cas de la voie dite » Ras-MAPK «, une protéine adaptatrice Grb2 (growth facteur receptor bound-2) vient se fixer sur les phosphotyrosines du récepteur activé. Elle apporte avec elle une autre protéine, cette fois une protéine effectrice appelée Sos (Son of Sevenless), ce qui permet à cette dernière de se rapprocher de la membrane cellulaire. Par ce recrutement, Sos peut interagir avec la protéine Ras qui est ancrée dans la membrane. Ras est une GTPase, c’est-à-dire une protéine qui existe en deux états: 1) fixant le GTP, état dans lequel elle interagit avec d’autres protéines et transmet le signal, et 2) fixant le GDP, état de repos dans lequel elle n’interagit pas. L’équilibre entre ses deux états est assuré par deux événements:

  1. l’échange de GDP pour GTP. Cet évenement est catalysé par Sos, qui facilite de départ de GDP, remplacé par GTP.
  2. l’hydrolyse de GTP en GDP et Pi. Cet évenement est catalysé par la protéine Ras elle-même après quelques secondes.

Figure 09 Complexe de signalisation

reddot Ras-GTP se fixe ensuite à la protéine kinase Raf par son domaine RBD (Ras Binding Domain) qui, à son tour va être activée. Raf active la protéine kinase MEK par deux phosphorylations. Finalement, la protéine MEK phosphoryle et active (par deux phosphorylations elle aussi) la protéine kinase ERK, qui va alors pénétrer dans le noyau pour y phosphoryler et activer le facteur de transcription Elk-1 (aussi connu comme TCF). Il s’associe avec SRF, et ensemble ils se fixent sur la région promotrice des gènes pour induire leur expression. Parmi ces gènes, on trouve le gène c-fos qui joue un rôle important dans l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division.

reddot La protéine ERK augmente également l’expression d’un gène (MKP1) servant à déphosphoryler et donc à désactiver les protéines ERK dans le noyau et dans le cytoplasme (rétrocontrôle négatif).

reddot En résumé, la signalisation de la voie Ras-MAPK provoque une augmentation de la division cellulaire.

Figure 10 Description schématique de la voie Ras-MAPK

b- Description de la voie de la PI 3-kinase

reddot La PI 3-kinase (phosphatidyl inositol 3-kinase) est une kinase qui a pour substrat des inositol-lipides (phosphatidyl inositol) membranaires. L’enzyme possède deux sous-unités: 1) régulatrice (p85) et 2) catalytique (p110). Son activation se réalise de deux manières; a) recrutement à la membrane: là où se trouve le substrat de l’enzyme, et b) levée de la contrainte inhibitrice exercée par la sous-unité régulatrice.

reddot La sous-unité régulatrice fixe les phosphotyrosines du récepteur phosphorylé et recrute ainsi la sous-unité catalytique à la membrane. L’effet inhibiteur de la sous-unité régulatrice est levé par sa fixation au récepteur. Une fois proche de la membrane plasmique, la p110 PI3-Kinase peut s’approcher du phosphatidyl-4,5-inositol (PIP2) pour le phosphoryler en phosphatidyl inositol-3,4,5-phosphate (PIP3).

reddot NB Une voie alternative est le recrutement de la sous-unité catalytique par la GTPase Ras (elle remplace la sous-unité régulatrice).

reddot Le phosphatidyl inositol-3,4,5-phosphate sert au recrutement des protéines kinases PDK1 (phosphatidyl inositol-dependent kinase) et de la protéine PKB (protéine kinase B, aussi appelé Akt) par leur domaine PH. Une fois à la membrane, PKB est activée par PDK1.

reddot La protéine kinase B joue un rôle important car elle:

  1. protège la cellule contre l’apoptose (mort cellulaire programmée) en phosphorylant (et inhibant) la pro-caspase 9, la protéine BAD et les facteurs de transcription de la famille FoxO.
  2. stimule la synthèse protéique, par une voie qui passe par la protéine kinase mTOR. Cette voie facilite l’initiation de la synthèse protéique.
  3. inactive la protéine kinase GSK3δ et par cela favorise l’augmentation de la cycline D, composant important dans le démarrage du cycle de division cellulaire (action décisive en phase G1)

reddot En résumé, la voie PI3-kinase protège la cellule contre l’apoptose et la conduite vers une division cellulaire.

Figure 11 Description schématique de la voie PI3-Kinase

reddot Cliquez ici pour une présentation animée de ces événements.

c- La voie Src

reddot L’ERBB2/ERBB1 peut également activer la tyrosine protéine kinase Src, elle aussi de se lier aux phosphotyrosines des récepteurs activés. Un important aspect dans le processus de transformation cellulaire est le fait que Src phosphoryle et inhibe la protéine PTEN. PTEN est une phosphatidyl inositol phosphatase qui enlève le phosphate en position-3 sur le phosphatidyl inositol-3,4,5-trisphosphate. Elle contrarie la PI 3-kinase et sert donc comme inhibiteur de la voie de PKB. La perte de PTEN est associée au cancer. Nous verrons plus tard que les inhibiteurs du récepteur d’EGF ont surtout un effet inhibiteur sur la voie de Src-PTEN. Les inhibiteurs » restaurent « l’effet inhibiteur de PTEN et par cela rendent la cellule moins proliférative et plus sensible à l’apoptose.

Figure 12 Description schématique de la voie Src

VIII ERBB2 augmente l’efficacité des voies de signalisation

reddot Tous les processus décrits ci-dessus sont fortement stimulées par la surexpression d’ErbB2 à la surface cellulaire. Cette surexpression entraîne donc une augmentation très importante de ces signaux qui provoquent un dérèglement cellulaire. La cellule se divise à outrance. Plus tard dans le processus, ces signaux permettent aux cellules de quitter leur tissu et de pénétrer dans la circulation sanguine ou lymphatique, allant ainsi constituer à distance, des tumeurs secondaires (processus de métastase). Comme le montre ce tableau, on voit que la surexpression d’ERBB2 n’est pas spécifique des cellules du sein ! D’autres cellules sont touchées par cette surexpression comme entre autres les cellules des ovaires et les cellules gastriques.

 

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Last Updated August 31, 2015 10:14 PM | admin news