Soutenance mémoire
Présentation des protéines « IQ-GAP »
La famille « IQ-GAP »
La protéine IQGAP1 est une protéine multi-modulaire appartenant à une famille de protéines « IQ-GAP ». Elle fut découverte par hasard en 1994, dans des tissus extraits d’ostéosarcomes métastatiques humains (Weissbach et al., 1994). Cette nouvelle protéine de 1657 résidus amino-acides présente d’une part de grandes similarités de séquence avec le domaine catalytique de protéines appartenant à la superfamille Ras et possédant une activité d’hydrolyse du GTP, Ras-GAP (Ras GTPase activating protein). D’autre part, IQGAP1 possède un domaine N-terminal riche en un motif particulier « IQ », d’où son nom « IQGAP1 ». Deux ans plus tard, une protéine cible des petites Rho-GTPases Cdc42 et Rac1 dans le foie ayant un fort pourcentage de similarités avec la protéine précurseur IQGAP1 fut identifiée. Elle fut nommée IQGAP2 (Brill et al., 1996; McCallum et al., 1996). Un gène iqgap3 a également été identifié dans le génome humain, il semblerait coder une protéine ayant les mêmes caractéristiques que les deux autres membres de la famille mais dépourvue de certains domaines fonctionnels. A ce jour, aucune étude concernant IQGAP3 n’a été recensée dans la bibliographie. IQGAP1 est la protéine de cette famille la plus étudiée et la mieux caractérisée car, en plus d’être la première découverte, elle semble ubiquitaire.
Localisations chromosomique, tissulaire et cellulaire des isoformes IQGAP1 et IQGAP2
IQGAP1 et IQGAP2 sont des protéines multi-modulaires de haut poids moléculaire respectivement de 180 KDa et 175 KDa qui présentent une homologie de séquence de 62% (Brill et al., 1996). Chez l’homme, iqgap1 est localisé sur le chromosome 15 en région 15p15q1.1 (Weissbach et al., 1994) et le gène iqgap2 est situé sur le chromosome 5 en région 5q1.1-1.3 (Brill et al., 1996). La protéine IQGAP1 est distribuée dans de nombreux tissus alors que la protéine IQGAP2 est restreinte au foie. Si la localisation subcellulaire de la protéine IQGAP2 semble constante en région péri-nucléaire au niveau des membranes de l’appareil de Golgi dans des cellules d’ovaires d’hamsters chinois (CHO) (Brill et al., 1996), en revanche la localisation d’IQGAP1 varie en fonction du type cellulaire. En effet, dans des fibroblastes et des cellules rénales de singes verts africains (cellules Vero), IQGAP1 se positionne au niveau des lamellipodes et des renflements membranaires (« membrane ruffles ») (Bashour et al., 1997; Kuroda et al., 1997). Cependant, dans des cellules CHO, IQGAP1 est détectée au niveau de l’appareil de Golgi où elle co-localise avec l’actine filamenteuse (F-actine) et Cdc42 (McCallum et al., 1996). Dans les cellules épithéliales, IQGAP1 se situe aux contacts cellule-cellule au niveau des jonctions adhérentes où elle se lie à la caténine ainsi que dans les renflements membranaires (Kuroda et al., 1997). Nous verrons plus tard que ces changements de localisation sont intimement liés à la fonction cellulaire d’IQGAP1 et à l’état physiologique des cellules.
Les domaines structuraux et fonctionnels des protéines IQGAP1 et IQGAP2
Dans ces deux protéines, très homologues, on trouve un grand nombre de domaines structuraux ou motifs qui vont permettre l’interaction avec un grand nombre de protéines impliquées dans diverses fonctions biologiques. Plusieurs motifs, respectivement nommés Calponin Homology Domain (CHD), Internal Repeats (IR), WW, IQ, GTPases Activating Protein-Related Domain (GRD), sont recensés. La plupart des interactions décrites concerne la protéine IQGAP1.
Le domaine « CHD » (Calponin-Homology-Domain)
Ce motif est caractéristique de la famille « Calponine » qui regroupe des protéines liant l’actine et la calmoduline (Ayme-Southgate et al., 1989; Winder et al., 1993). Les protéines calponine et la calci-protéine MP-20 en sont deux représentants et présentent de fortes homologies avec un domaine situé en N-terminal d’IQGAP1 et 2 (Weissbach et al., 1994). Ce domaine « CHD » s’étend des résidus 47 à 155 pour IQGAP1 et des résidus 44 à 152 pour IQGAP2 (Brill et al., 1996; Weissbach et al., 1994). Il est également retrouvé dans des protéines capables de ponter les filaments d’actine comme la filamine (Gorlin et al., 1990), l’-actinine (Meyer and Aebi, 1990) ou la fimbrine (Bretscher, 1981). Ces activités de pontage seraient liées à une capacité d’oligomérisation (Hartwig and Kwiatkowski, 1991; Matsudaira, 1991). Par la suite, de nombreuses études ont démontré que la protéine IQGAP1 est capable de lier directement l’actine filamenteuse (F-Actine) (Bashour et al., 1997; Fukata et al., 1997; Mateer et al., 2002) et que cette liaison se fait via le domaine minimal « CHD » (Fukata et al., 1997). Des études complémentaires ont mis en évidence que le domaine « CHD » d’IQGAP1 lie également in vitro les ions Ca2+ qui permettent la fixation de la calmoduline (Ho et al., 1999). Ces multiples interactions sont pour certaines mutuellement exclusives, comme l’association du complexe calmoduline/Ca2+ qui inhibe la liaison d’IQGAP1 à l’actine (Mateer et al., 2002). Ces propriétés mettent en exergue la régulation fonctionnelle possible d’IQGAP1 par le taux de Ca2+ et/ou de calmoduline intracellulaire.
Le domaine « IR » (Internal Repeat)
Ce motif, comprenant une séquence de 50 à 60 résidus amino-acides se répète six fois dans IQGAP1 et cinq dans la protéine IQGAP2 (Brill et al., 1996; Weissbach et al., 1994). Il n’est pas caractéristique d’une famille particulière de protéines mais permet la formation d’une structure de type « coiled-coil » (Hart et al., 1996) sans doute responsable de l’oligomérisation de la protéine (Fukata et al., 1997).
Le motif « WW »
Adjacent au domaine « IR », les protéines IQGAP1 et IQGAP2 contiennent un domaine « WW » de 38 résidus amino-acides que l’on retrouve dans la dystrophine et la protéine YAP (Bork and Sudol, 1994; Chen and Sudol, 1995; Sudol et al., 1995a). Ces domaines présentent toutes les fonctionnalités des domaines « SH3 » classiques (Chan et al., 1996; Sudol et al., 1995b) en recrutant des protéines comportant des régions riches en résidus proline. Cette propriété lui permet d’interagir avec certaines protéines de la signalisation cellulaire, notamment la protéine Erk-2 (Extracellular signal-regulated kinase 2) dont elle va moduler l’activité (Roy et al., 2004; Roy et al., 2005).
Le motif « IQ »
Cette séquence de 20 à 25 résidus amino-acides a été initialement identifiée dans la neuromoduline (ou GAP43), en tant que responsable de la liaison à la calmoduline en présence de calcium (Alexander et al., 1988). Des études ultérieures ont démontré que ce motif était présent dans de nombreuses protéines et correspondait à un site de liaison à la calmoduline ou à des protéines possédant des domaines de type « EF-Hand » similaires à ceux retrouvés dans la calmoduline (Cheney and Mooseker, 1992; Cheney et al., 1993). Dans la séquence primaire des protéines IQGAP1 et IQGAP2, quatre motifs « IQ » répétés en tandem sont retrouvés. Les deux caractéristiques de ce motif sont d’une part les deux résidus d’isoleucine et de glutamine (Cheney and Mooseker, 1992) placés en région N terminale de la séquence consensus suivante : « IQXXXRGXX(R) » décryptée quelques années plus tard (Houdusse and Cohen, 1995) et d’autre part le résidu arginine situé en région C-terminale. Le domaine dit « complet », possèdant ce résidu arginine, fixe la calmoduline indépendamment de la présence de Ca2+ (Houdusse and Cohen, 1995). En revanche, en son absence, le domaine ne pourra se lier à la calmoduline qu’en présence de Ca2+, il sera alors qualifié d’«incomplet ». Les protéines IQGAP1 et IQGAP2 possèdent trois motifs « complets » et un motif « incomplet ». Les deux isoformes d’IQGAP sont donc capables de lier directement la calmoduline (Brill et al., 1996; Hart et al., 1996). Des études complémentaires démontrent, qu’in vitro, IQGAP1 lie la calmoduline via son domaine « IQ » et que cette interaction est potentialisée par la présence d’ions Ca2+ (Ho et al., 1999; Joyal et al., 1997). Le domaine « CHD » peut également lier la calmoduline mais le site préférentiel d’interaction reste le domaine « IQ » car son affinité est 20 fois supérieure à celle du domaine « CHD » (Ho et al., 1999). Plus récemment, notre laboratoire a identifié la protéine IQGAP1 comme l’une des cibles cytoplasmiques majeures de l’un des membres de la grande famille de calci protéines S100, la S100B. Cette interaction est dépendante des ions Ca2+ et Zn2+, et se déroule au cours de réarrangements membranaires dans des lignées cellulaires dérivées de gliomes humains (Mbele et al., 2002). La famille des calci protéines S100 lie les ions Ca2+ par l’intermédiaire de domaines « EF-Hand » et, par conséquent, est largement impliquée dans les voies de transduction du signal calcique (Dolmetsch et al., 1997; McConkey and Orrenius, 1996). Enfin, ces dernières années, le laboratoire de David Sacks, a mis en évidence que le motif «IQ » d’IQGAP1 permet de moduler la voie de signalisation des MAPKinases, en fixant, in vitro, les protéines MEK1 et MEK2, deux kinases appartenant à cette voie (Roy et al., 2005). Ces interactions, combinées à celles décrites pour le domaine « WW » comme modulateur de l’activité des kinases Erks (Erk1, Erk2) (Roy et al., 2004) confèrent à IQGAP1 des rôles modulateurs et organisateurs de la voie des MAP Kinases. De ce fait, IQGAP1 est considérée comme une protéine d’échafaudage sous-membranaire.
Le domaine « GRD » (GAP-Related Domain)
Ce domaine, situé en partie C-terminale des protéines IQGAP1 et IQGAP2, doit son nom à une très forte homologie de séquence avec le domaine catalytique des protéines GAPs (GTPase Activating Protein). Ces protéines possèdent une activité intrinsèque d’hydrolyse du GTP et interviennent dans le cycle d’activation/inactivation de petites GTPases de la famille Rho. La différence est, qu’à ce jour, aucune activité « GAP » n’a été mise en évidence dans les protéines IQGAP1 et 2. Deux différences structurales peuvent expliquer ce phénomène. Les protéines IQGAP1 et IQGAP2 possèdent un résidu thréonine en position 1146 au lieu d’un résidu arginine qui semblerait essentiel à l’activité « GAP » de toutes les protéines RasGAP (Scheffzek et al., 1998). De plus, IQGAP1 présente deux résidus tyrosine en position 1192 et 1193 au lieu de résidus phénylalanine et leucine. La mutation du résidu leucine invariable en isoleucine dans la séquence primaire de la protéine p120GAP abolit son activité catalytique intrinsèque (Brownbridge et al., 1993).
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Table des matières
INTRODUCTION
I. Présentation des protéines IQGAP
I.1. La famille « IQ-GAP »
I.2. Localisations chromosomique, tissulaire et cellulaire des isoformes IQGAP1 et IQGAP2
I.3. Les domaines structuraux et fonctionnels des protéines IQGAP1 et IQGAP2
I.3.1 Le domaine « CHD » (Calponin-Homology-Domain)
I.3.2 Le domaine « IR » (Internal Repeat)
I.3.3 Le motif « WW »
I.3.4 Le motif « IQ »
I.3.5 Le domaine « GRD » (GAP-Related Domain)
I.3.6 Le domaine « RGCT » (RasGAP C-Terminal)
I.4. Les protéines « IQGAP » au cours de l’évolution
II. Les fonctions cellulaires d’IQGAP1
II.1. La protéine IQGAP1 est un important régulateur de la dynamique du cytosquelette
II.1.1 Une histoire ancestrale entre IQGAP et le cytosquelette
II.1.2 IQGAP est un effecteur des Rho GTPases Rac et Cdc42
II.1.3 IQGAP1 et le réseau microtubulaire
II.2. Le rôle d’IQGAP1 dans la polarité et la migration cellulaire
II.3. IQGAP1 dans la régulation des contacts intercellulaires
II.4. Rôle d’IQGAP1 dans la motilité neuronale et la croissance neuritique
II.5. IQGAP1 : un acteur central des voies de signalisation intracellulaire
II.5.1 IQGAP1 et les voies de signalisation
II.5.1.1 IQGAP1 et la voie Wnt/wingless
II.5.1.2 IQGAP1 et la voie des MAP (Mitogen Activated Protein) Kinases
II.5.2 IQGAP1 et les récepteurs
II.5.2.1 Le récepteur à l’EGF (EGFR : Epidermal Growth Factor Receptor)
II.5.2.2 Le récepteur au VEGF de type-2
II.5.2.3 Le CD44
II.5.2.4 Le récepteur muscarinique à l’acétylcholine M3
II.5.2.5 IQGAP1 et les récepteurs AMPA (-amino-3-hydroxy-5-méthylisoazol4-propionate)
III. Régulations fonctionnelles d’IQGAP1
III.1. Le rôle de la signalisation Ca2+/Calmoduline
III.2. La localisation sub-cellulaire
III.3. L’oligomérisation
III.4. Les modifications post-traductionnelles
IV. Les cellules souches neurales dans le système nerveux central adulte
IV.1 Historique et contexte scientifique contemporain
IV.2 La neurogenèse chez les mammifères adultes
IV.2.1 La zone sous-ventriculaire adulte (SVZ)
IV.2.2 La couche sous-granulaire de l’hippocampe (SGL)
IV.3 Les mécanismes intrinsèques et extrinsèques contrôlant la neurogenèse adulte dans la voie SVZ/RMS/Bulbe Olfactif (BO)
IV.3.1 Les mécanismes moléculaires de régulation intrinsèque des cellules souches de la SVZ adulte
IV.3.1.1 Persistance des cellules souches neurales de l’embryon à l’adulte
IV.3.1.2 Les mécanismes moléculaires contrôlant la SVZ adulte
IV.3.2 Les cellules souches et leur microenvironnement : les « niches » de la SVZ
IV.3.2.1 Le rôle des facteurs de croissance dans la neurogenèse
IV.3.2.1.1 Les rôles des ligands de la famille des récepteurs à l’EGF : l’EGF, le bFGF, le TGF (Transforming Growth Factor) et les neurégulines
IV.3.2.1.2 Le rôle de l’Insulin-Like Growth Factor-1 (IGF-1)
IV.3.2.2 Les relations entre la neurogenèse et la signalisation cellulaire
IV.3.2.2.1 La signalisation Sonic Hedgehog (Shh)
IV.3.2.2.2 La signalisation Notch
IV.3.2.2.3 La voie de signalisation canonique Wnt/-caténine
IV.3.2.3 Les composantes cellulaires des niches neurogéniques de la SVZ
IV.3.2.3.1 Les cellules épendymaires dans la neurogenèse
IV.3.2.3.2 Les cellules astrocytaires dans la neurogenèse
IV.3.2.3.3 Les cellules endothéliales dans la neurogenèse
IV.3.3 Les mécanismes moléculaires régulant la migration et la différenciation neuronale le long de la RMS et dans le bulbe olfactif
IV.3.3.1 Les molécules d’adhérences et matricielles dans la régulation de la neurogenèse adulte
IV.3.3.1.1 La protéine NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule) et son résidu acide poly-sialylé (PSA)
IV.3.3.1.2 Les intégrines
IV.4 Les différents acteurs modulant la neurogenèse adulte
IV.4.1 Le système Slit-ROBO
IV.4.2 Le système éphrine-Eph
IV.4.3 Les neurégulines (NRG) et le récepteur ErbB4
IV.4.4 Les astrocytes de la RMS et le neurotransmetteur GABA
IV.4.5 Les facteurs chimio-attractants du bulbe olfactif (BO)
IV.4.6 Les facteurs agissant sur le détachement et la migration radiaire des neuroblastes dans le bulbe olfactif
V. Un cas pathologique du système nerveux central: les tumeurs cérébrales
V.1 Généralités sur le cancer
V.2 Les tumeurs cérébrales
V.2.1 La problématique de la classification histologique et le « grading » des tumeurs neuro-épithéliales
V.2.2 Les gliomes : une sous-classe de tumeurs neuro-épithéliales
V.2.2.1 Vers une classification moléculaire des gliomes
V.3 Implication des cellules souches et/ou progénitrices dans la cancérogenèse
V.3.1 Les propriétés intrinsèques des cellules souches
V.3.2 Les phénotypes tumoraux
V.3.3 La notion de cellules souches cancéreuses (« cancer stem cells »)
V.3.3.1 Les « cancer stem cells » dans la lignée hématopoïétique
V.3.3.2 Les « cancer stem cells » dans les tumeurs solides du sein
V.4 Implication des cellules souches/progénitrices neurales dans l’étiologie des tumeurs cérébrales
V.5 Une dérégulation de la niche à l’origine des cancers
V.5.1 Les niches de la SVZ, un équilibre fragile
V.6 Les implications en terme de thérapie
V.6.1 Les radiothérapies et chimiothérapies
V.6.2 Les thérapies anti-angiogéniques
RESULTATS
CONCLUSION GENERALE
