La famille des ligands de type TGFβ et les voies de signalisation associées jouent un rôle fondamental dans de multiples processus cellulaires au cours du développement embryonnaire. Le rôle d’un seul membre de cette famille est souvent multiple (effets pleïotropiques) selon le principe général que les voies de signalisation sont souvent réutilisées de multiples fois au cours du développement dans des localisations différentes.
Après sécrétion par les cellules productrices, les ligands TGF-β (qui sont associés en homodimères) sont en majorité présents sous une forme latente car associés à la protéine LAP. Une forme inactive de TGF-β est secrétée par les cellules et doit être activée dans la matrice extracellulaire.
Les TGF-β sont synthétisés sous forme de précurseurs contenant une région propeptide en N-terminale par rapport à la séquence « active ». Après leur synthèse, les TGF-β forment un homodimère qui interagit avec un peptide LAP (pour peptide associé à la latence), une protéine dérivée de la région N-terminale du produit du gène TGF-β, formant un complexe appelé petit complexe latent (SLC). Ce complexe reste dans la cellule jusqu’à ce qu’il soit lié par une autre protéine appelée Latent TGF-β-Binding Protein (LTBP), formant un complexe plus grand appelé Large Latent Complex (LLC). C’est cette LLC qui est sécrétée dans la matrice extracellulaire. Une interaction avec des intégrines ou l’action de la thrombospondine-1, ou des MMP (métalloprotéases) ou des espèces réactives de l’oxygène (ROS) aboutit à libérer l’homodimère TGF-β actif de ce complexe.
La signalisation TGF-β passe par deux types de récepteurs transmembranaires à activité sérine-thréonine kinase. La liaison du ligand au récepteur au TGF-β de type II (TβRII) stabilise la formation d’un complexe avec le récepteur au TGF-β de type I (TβRI) et induit l’activation du récepteur TβRI par la kinase du récepteur TβRII.
Activation des Récepteurs TGFBR et des Protéines SMAD
TGF-β se lie au récepteur au TGF-β de type II (ici TGFBR2) ce qui active son activité sérine/thréonine kinase. TGFBR2 phosphoryle le domaine GS (riche en glycine et sérine) du récepteur au TGF-β de type I (ici TGFBR1) ce qui active à son tour le domaine sérine/théronine kinase de celui-ci qui phosphoryle l’une des protéines SMAD (SMAD2 ou SMAD3) sur des sérines C-terminales incluses dans un motif SXS (où X peut être n’importe quel acide aminé). Les SMADs agissent ensuite comme effecteurs de signalisation.
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La phosphorylation C-terminale de SMAD2 ou SMAD3 par TβRI entraîne un changement de conformation qui favorise l’hétéromérisation avec SMAD4 et stimule la translocation nucléaire des complexes SMAD.
La fixation du ligand aux récepteurs provoque une cascade de phosphorylation qui aboutit à l’association de SMAD2/3 (de la famille des R-SMAD) avec SMAD4 et l’entrée de ce complexe dans le noyau où il se fixe à l’ADN et stimule la transcription de gènes cibles. Il existe des SMAD inhibiteurs comme SMAD7 qui sont en compétition avec les R-SMAD pour se fixer sur le récepteur TGFBR1.
Cette interaction avec d’autres facteurs est nécessaire car les complexes SMAD ont une affinité faible ou nulle pour l’ADN. Phospho-SMAD3 associé à SMAD4 se lie directement à l’ADN avec une faible affinité au niveau d’éléments spécifiques de liaison à SMAD. SMAD4 est essentiel dans la majorité des cas, mais n’est pas obligatoire dans certains contextes et une partie des gène-cibles de la voie de signalisation TGF-β est activée indépendamment de SMAD4.
En effet, SMAD2/3 sont capables d’entrer dans le noyau sans SMAD4 (Fink et al., 2003). Par exemple, au cours du développement du pancréas, SMAD2/3, mais pas SMAD4, jouent un rôle clé (Bardeesy et al., 2006). L’entrée des SMAD dans le noyau est contrôlée (entre autres) par l’Importine-8. Le gène qui code cette protéine, IPO8, a été retrouvé muté dans des patients atteints de symptômes proches du syndrome de Marfan (anomalies vasculaires et squelettiques).
C’est SMAD3, et non SMAD2, qui médie cette inhibition par le TGF-β de la différenciation des ostéoblastes et des myoblastes. Dans ce dernier cas, Smad3 interagit physiquement avec MyoD et perturbe sa liaison à l’ADN, réduisant ainsi l’expression génique spécifique au muscle. C’est encore SMAD3 qui inhibe la différenciation adipocytaire en aval de TGF-β.
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L’adipogenèse, activée par C/EBPβ ou C/EBPδ, est inhibée par TGF-β sans diminution des niveaux de protéine C/EBP. Les C/EBP interagissent physiquement à la fois avec SMAD3 et SMAD4, et cette interaction est corrélée à la répression de la transcription médiée par C/EBP au niveau des promoteurs des gènes codant des protéines essentielles pour la différenciation adipocytaire, avec des sites de liaison C/EBP multimérisés.
Mais l’action de SMAD3 et SMAD4 n’affectent pas la liaison de C/EBP à ces séquences cibles. D’une manière générale, la signalisation TGF-β a une fonction pro-matrice extracellulaire (MEC).
Réplication de l'ADN
Implication de la Kinase JNK dans l'Expression de la Fibronectine
L’induction de l’expression de la fibronectine par TGF-β nécessite l’activation de la kinase JNK. Comme nous le voyons sur la figure ci-dessus, l’activation de l’expression de la fibronectine passe par une voie de signalisation particulière, la voie de signalisation JNK.
Dans certains contextes cependant, notamment cancéreux, la signalisation TGF-β peut au contraire stimuler la dégradation de la MEC via l’activation de l’expression des métalloprotéinases, notamment MMP-9. TGF-β agit à ce moment-là non pas par les SMAD mais par l’intermédiaire de TAK1 (pour TGF-β activated kinase) qui agit à son tour sur JNK et p38 comme cela a été démontré dans des cellules tumorales de cancer du sein (Safina et al., 2007).
Transition Épithélio-Mésenchymateuse (EMT) et TGF-β
Outre l’activation de l’expression des coordinateurs majeurs de l’EMT, les facteurs de transcription de la famille Snail/Twist, les récepteurs TGF-β peuvent avoir un rôle plus direct : Par6, un régulateur de la polarité des cellules épithéliales et de l’assemblage des jonctions serrées, interagit avec les récepteurs TGF-β et est phosphorylée par le récepteur de type II, TGF-βRII.
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La phosphorylation de Par6 est nécessaire pour l’EMT dépendant du TGF-β dans les cellules épithéliales de la glande mammaire et contrôle l’interaction de Par6 avec l’ubiquitine ligase E3 Smurf1.
L’activation des récepteurs par le ligand TGF-β aboutit (entre autres) à la phosphorylation de Par6 qui permet de recruter Smurf qui est une E3-ubiquitine ligase. Smurf ubiquitinyle RhoA ce qui provoque sa dégradation. Dans d’autres contextes, TGF-β peut avoir une action anti-tumorale.
Implication dans le Cancer du Côlon
Le récepteur TGF-β de type II (TGF-βRII) est fréquemment inactivé dans certains types de cancers du côlon. Le récepteur tronqué perd son domaine de signalisation intracellulaire C-terminal qui est crucial pour sa fonction. Cette perte permet aux cellules du carcinome du côlon de devenir résistantes aux effets inhibiteurs de croissance du TGF-β.
Voies de Signalisation BMP
Les membres de la famille BMP (pour Bone Morphogenetic Protein) se distinguent des autres membres de la superfamille TGF-β en ayant sept (plutôt que neuf) cystéines conservées dans la protéine mature. Ils ont été d’abord caractérisés par leur capacité à faire différencier les ostéoblastes en ostéocytes mais leurs fonctions sont très variées.
En général, les BMP agissent en tant qu’homodimères mais des hétérodimères ont aussi été caractérisés (Hazama et al., 1995; Bi et al., 2013). Les BMP de classe I, notamment BMP2 et BMP4, sont capables de s’hétérodimériser avec les BMP de classe II telles que BMP5, BMP6, BMP7 et BMP8 (Guo et Wu, 2012).
Les voies de signalisation activées ressemblent à celles de TGF-β mais ce sont les SMAD-1, -5 et -8 qui sont activées et non pas les SMAD-2 et -3.
La fixation du ligand sur les récepteurs aboutit à une phosphorylation des récepteurs de type I par les récepteurs de type II. Puis les récepteurs de type I phosphorylent sur des sérines les R-Smad (Smad1, Smad5 et Smad8). Ceux-ci s’associent alors à Smad4 et rentrent dans le noyau et se fixe sur l’ADN sur des séquences spécifiques appelées BRE = BMP Response Element.
La transcription des gènes-cibles est alors activée. Chez la drosophile, l’orthologue des BMP s’appelle dpp (pour decapentaplegic). Dpp se lie au récepteur de type I Tkv et au récepteur de type II Punt pour phosphoryler le facteur de transcription Mad.
Les ligands BMP peuvent être piégés dans l’espace intercellulaire et empêchés d’agir sur leurs récepteurs par diverses protéines sécrétées : Chordine, Noggin, Follistatine et Gremlin.
SMAD4 est commun entre la voie des BMP et la voie de Nodal (voir plus loin pour la voie Nodal).
Des embryons de poisson zèbre sauvages et mutants (MZsmad4a) n’exprimant plus SMAD4 ont été soumis à une analyse transcriptomique RNAseq et les gènes ont été classés selon qu’ils sont des cibles de la voie de signalisation BMP ou des cibles de la voie de signalisation Nodal.
| Caractéristique | TGF-β | BMP |
|---|---|---|
| SMAD activés | SMAD2 et SMAD3 | SMAD1, SMAD5 et SMAD8 |
| Réponse | Fonction pro-matrice extracellulaire | Différenciation des ostéoblastes |
| Inhibition | SMAD7 | Chordine, Noggin, Follistatine et Gremlin |
En conclusion, les ligands de type TGFβ et les voies de signalisation associées jouent un rôle crucial dans une variété de processus cellulaires, allant du développement embryonnaire à la différenciation cellulaire et à la régulation de la matrice extracellulaire. Leurs mécanismes d'action complexes impliquent l'activation de récepteurs spécifiques, la phosphorylation de protéines SMAD et l'interaction avec d'autres voies de signalisation, ce qui leur permet d'exercer des effets pleïotropiques dans différents contextes biologiques. Comprendre ces mécanismes est essentiel pour élucider les processus physiologiques et pathologiques dans lesquels ces ligands sont impliqués.
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