Inférence automatique de modèles de voies de signalisation à partir des données expérimentales

Les récepteurs couplés aux protéines G

Généralités 

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG ou Récepteurs à sept domaines transmembranaires) constituent une vaste famille de récepteurs membranaires qui représente plus d’3% du génome chez les vertébrés. Par exemple, le génome humain contient plus de 800 gènes codant pour ce type de récepteurs [1]. Les RCPG jouent un rôle important dans la réception, le décodage et la transduction des signaux extracellulaires vers le milieu intracellulaire. De façon plus précise, un ligand extracellulaire se complexe avec le récepteur membranaire qui lui est spécifique et ce dernier va transmettre le message à l’intérieur de la cellule. En réponse à ce signal, la cellule s’adapte à son environnement. Les RCPG sont des récepteurs présentant une grande diversité de ligands, ils sont capables de se lier à des molécules de natures très variées telles que des catécholamines [2], des eicosanoïdes [3], des peptides [4], des protéines [5] ou encore des ions [6]. Ces récepteurs sont présents dans un grand nombre d’espèces et sont exprimés de façon ubiquiste. La présence de cette famille de récepteurs dans un grand nombre de tissus leur confère un rôle important dans virtuellement tous les processus physiologiques, tels que la vision, l’immunité, la contraction musculaire et la reproduction. Les RCPG présentent donc une grande diversité de fonctions biologiques et de ligands, ce qui leur confère un grand intérêt pharmacologique. Aujourd’hui, environ 40% des médicaments ciblent cette famille protéique [7]. Les RCPG sont capables d’induire des réseaux de signalisation cellulaire d’une telle complexité qu’il n’est actuellement pas possible de les décrire de façon exhaustive. La compréhension détaillée des mécanismes moléculaires et cellulaires engendrés par ces récepteurs pourrait permettre de développer des traitements capables de les moduler, de les activer ou de les inhiber totalement ou partiellement. Cette complexité pour être maîtrisée, nécessite de développer des méthodes de construction des réseaux moléculaires.

Structure

En 1986, Dixon et al [8] ont étudié la structure du récepteur β-adrénergique par analyse d’hydropathie, ce qui a révélé l’existence de sept hélices transmembranaires. Ce travail a ensuite été effectué, en 1992, pour 39 RCPG, aboutissant au même résultat [9]. Cependant, c’est à partir d’expériences de cryo-microscopie électronique et de structure cristalline haute résolution obtenue par diffraction aux rayons X, que la structure de la rhodopsine fut validée [10, 11] (structure cristalline en 3D disponible dans la banque de données Protein DataBank : http://www.pdb.org/pdb/explore/explore.do?pdbId=1F88) . Ensuite, différentes structures de RCPG ont été découvertes telles que la structure cristalline de l’hormone folliculo-stimulante complexée à son récepteur, du récepteur β2 adrénergique complexé avec un agoniste de l’adrénaline ou encore complexé avec une protéine G stimulatrice, de la rhodopsine non stimulée [12-15].

Les RCPG présentent donc une structure commune avec sept hélices α transmembranaires reliées par trois boucles intracellulaires et trois boucles extracellulaires (Figure 2). La queue amino-terminale (ou N-terminale) du récepteur se situe au niveau extracellulaire et est impliquée dans la fixation du ligand. Les sept hélices α transmembranaires participent à la transduction du signal depuis le domaine extracellulaire vers le domaine intracellulaire. La queue carboxy-terminale (ou C-terminale) est intracellulaire et contient une huitième hélice α [11, 16]. Cette partie du récepteur présente également de multiples sites de phosphorylation. Cette queue C-terminale ainsi que les boucles intracellulaires sont impliquées dans l’activation de voies de signalisation et dans la désensibilisation du récepteur.

Classification 

Les RCPG ont été classés avant la découverte de leur structure tridimensionnelle. Cette classification repose sur des alignements de séquences mais aussi en prenant en compte leurs différents ligands. Bockaert et Pin [17] proposent une classification en six grandes familles .

Mécanismes de signalisation cellulaire

Tous les RCPG induisent des voies de signalisation cellulaire lorsqu’ils sont activés par la fixation de leur ligand. Les phénomènes observés sont l’activation d’une voie dépendante des protéines G, suivie d’une désensibilisation des récepteurs à cette voie. Cette désensibilisation est suivie de l’internalisation du RCPG et de l’activation de voies de signalisation indépendantes des protéines G .

Signalisation dépendante des protéines G 

Les RCPG, comme leur nom l’indique, sont capables de se coupler aux protéines G qui ont une activité GTPase. Il existe deux théories quant à ce couplage, la première est le précouplage RCPG-Protéine G et la deuxième est la « rencontre » entre le récepteur activé et la protéine G par diffusion grâce aux mouvements membranaires. Les expériences de Mueller et al [27] ont montré une amplification de l’activation des protéines G par un seul récepteur. Cette amplification montre qu’il n’y a pas une seule protéine G activée par le récepteur mais plusieurs, ce qui signifie que le complexe récepteur-protéine G n’est pas figé, donc cela favorise la théorie de la rencontre par diffusion .

La fixation du ligand à son récepteur provoque un changement conformationnel de ce dernier, ce qui explique qu’un récepteur actif est capable de se complexer à une protéine G alors qu’un récepteur inactif n’en est pas capable.

Les molécules communément nommées protéines G sont en réalité des complexes hétérotrimériques composés d’une sous-unité α, une sous-unité β et une sous-unité γ . La protéine G dans son état inactif est liée à une molécule de GDP . Lorsqu’elle est activée par fixation à un RCPG actif, la molécule de GDP est échangée contre une molécule de GTP, ce qui provoque la dissociation de la protéine G en deux parties, un complexe composé de la sous-unité α liée au GTP et un autre complexe composé des sous-unités β et γ. Ainsi libérée, la sous-unité α agit sur ses cibles jusqu’à ce que le GTP qu’elle porte soit hydrolysé en GDP, ce qui provoque la reformation de l’hétérotrimère inactif de proteine G.

Il existe différents types de sous-unités α qui ont différents effecteurs. Des alignements de séquences de ces sous-unités α ont été réalisés, ce qui a permis de construire un arbre phylogénétique qui permet d’obtenir les regroupements suivants :
– Gαs (stimulation) / Gαolf (olfaction),
– Gαi (inhibition) / Gα0 / Gαz / Gαt (transducine),
– Gαq / Gα11 / Gα14 / Gα15 / Gα16,
– Gα12 / Gα13.

Les différentes protéines G agissent sur un grand nombre d’effecteurs (Figure 8). La sousfamille Gαs/Gαolf induit la production d’AMPc grâce à l’activation de l’adénylate cyclase [31-36]. L’AMPc est un second messager qui active la PKA et EPAC par complexation [37- 40]. Ces derniers participent notamment à l’activation de la cascade des MAP Kinase ERK [40-42]. La PKA est également un régulateur de la transcription et de la traduction grâce à son action sur CREB et sur p70S6Kinase respectivement. De plus, cette enzyme est capable d’auto-régulation par activation des phosphodiestérases qui dégradent l’AMPc en AMP .

La sous-famille Gαi/0/t/z induit une inhibition de la production d’AMPc mais aussi une activation de la cascade MAP Kinase ERK, la cascade Wnt/JNK, les signalisations dépendantes de Src et PI3K [44-51]. La sous-famille Gα12/13 induit une signalisation dépendante de Src, de Rho/ROCK [52, 53], mais aussi la voie JNK qui conduit à l’activation du facteur de transcription Nrf2 [54] et la voie JAK/STAT [55]. La sous-famille Gαq/11/14/15/16 induit la production des seconds messagers IP3 et DAG par l’intermédiaire de la phospholipase C [56-62]. IP3 induit l’ouverture de canaux ioniques Ca2+ et ce qui provoque l’augmentation de la quantité des ions Ca2+ dans le cytosol [63]. Les ions Ca2+ et DAG sont nécessaires pour l’activation de l’enzyme PKC [64]. La sous-famille Gαq est capable d’activer différentes voies de signalisation impliquant notamment Rho, p38MAPK, MAP Kinase ERK et IKK [65, 66], d’inhiber la voie PI3K [67, 68] et de réguler la transcription en agissant sur les facteurs NFκB et STAT [66]. Pendant très longtemps, les sous-unités α ont été considérées comme étant les seules sousunités des protéines G à être capables de déclencher des voies de signalisation, or il s’est avéré que le complexe βγ est impliqué dans l’ouverture des canaux potassiques [69] et dans le recrutement des GRK pour phosphoryler les RCPG [70, 71]. De plus, complexe βγ induit l’activation du complexe PI3K et des phosphodiestérases .

Table des matières

Introduction
I- Les récepteurs couplés aux protéines G
A- Généralités
B- Structure
C- Classification
D- Mécanismes de signalisation cellulaire
1- Signalisation dépendante des protéines G
2- Désensibilisation des récepteurs
3- Internalisation et devenir des RCPG
4- Signalisation indépendante des protéines G
E- Récepteur de l’hormone folliculo-stimulante (FSHR)
II- Construction de réseaux biologiques : Etat de l’art
A- Approche manuelle
1- Bibliographie
2- Banques de données
3- Conclusion sur l’approche manuelle
B- Approche semi-automatique
C- Approche automatique
1- Modèle reposant sur des statistiques
2- Modèles logiques
3- Systèmes d’équations différentielles
4- Méthodes à base de règles
5- Autres méthodes
6- Conclusion sur les méthodes actuelles de construction des réseaux moléculaires
III- Visualisation graphique des réseaux biologiques
A- SBML
B- SBGN
C- BioPax
D- Logiciels de visualisation graphique des réseaux biologiques
Problématique scientifique et objectif de la thèse
Matériel et méthodes
I- Formalisation et inférence
A- Inférence
1- Calcul de prédicats ou Logique du premier ordre
2- Moteur d’inférence SOLAR
B- Méthodologie de la formalisation
1- Classification hiérarchique des molécules
2- Hiérarchie des relations
3- Création de règles
II- Stockage des données
A- Règles et prédicats
B- Molécules
C- Données expérimentales
III- Visualisation des réseaux
1- CellDesigner
2- Transformation des faits en éléments du réseau
Signalisation induite par l’hormone folliculo-stimulante (FSH)
I- Les voies classiques
II- D’autres voies de signalisation
Une nouvelle méthode d’inférence de réseaux de signalisation
I- Présentation de la méthode
II- Base de connaissances
A- Modèle de données
B- Données expérimentales
C- Interface utilisateur
D- Lien avec le moteur d’inférence
E- Choix de visualisation graphique
F- Liens avec d’autres bases de données
III- Application aux réseaux de signalisation de la FSH et de l’EGF
A- Réseau FSH
1- Voie dépendante de la protéine G stimulatrice
2- Voie dépendante des β-arrestines
3- Voie dépendante de la PI3K
4- Réseau obtenu
B- Réseau EGF
1- Présentation du récepteur EGF
2- Réseau EGF obtenu versus réseau EGF de référence
IV- Les leçons de ces premiers tests
A- Pourquoi manque-t’il des relations dans les réseaux obtenus ?
B- Le problème des ARN interférents
C- Utilisation du savoir implicite
D- Les faits contradictoires
1- Hypothèses contradictoires
2- Contradictions issues de l’interprétation des expériences
3- Problème des conditions expérimentales
V- Les limites de la formalisation
A- Les formes modifiées
B- Le problème des hypothèses
C- Des règles de plus en plus complexes
D- Difficultés pour la formalisation
1- Agonistes et analogues structuraux
2- Mutants et variants naturels
VI- Inférence
A- Utilisation du ‘OU’ et problème d’égalité
1- Le ‘OU’
2- L’égalité
B- Temps de calcul
C- Indice de confiance des données
D- Règles d’élagage
Conclusion et perspectives
Bibliographie

Télécharger le rapport complet