Récepteurs et leurs ligands
Au début du 20ème siècle, quand hormones et neurotransmetteurs firent leur entrée dans le domaine de la Physiologie (« science de l'organisme sain »), la question se posa de savoir comment ces molécules exercent leur influence sur l'organisme ? Au départ on pensait qu'elles entraient dans les cellules en y agissant selon un mode plutôt non spécifique. John Newport Langley, chercheur à l'Université de Cambridge (Royaume Uni), a repris là où Claude Bernard, professeur de médecine au « Collège de France" à Paris, avait quitté la scène : pouvoir répondre à la question de savoir où exactement le curare (inhibiteur, poison dans des pointes de flèches des indiens) et la nicotine (stimulateur) agissent dans le couplage stimulus-réponse entre les nerfs et le muscle strié (figure 4).Claude Bernard avait fait l'observation cruciale qui établissait que des muscles de grenouilles paralysés par le curare, ne parviennent pas à répondre à la stimulation électrique du nerf moteur (voie qui implique la libération du neurotransmetteur acétylcholine dans la jonction neuromusculaire). Les mêmes muscles se contractant toujours lorsque le courant leur est directement appliqué. En d'autres termes, la machinerie contractile de l'actine et la myosine n'est pas affectée par le curare. Vers 1920, Langley avança donc l'hypothèse d'une interaction du messager (curare ou nicotine) avec une molécule spécifique qu'il nomma « substance réceptrice» et qui transmettait l'effet physiologique. Cette notion avait déjà été avancée par Paul Ehrlich en 1895, alors qu'il étudiait l'effet protecteur des composants du sérum humain vis-à-vis de toxines bactériennes (ce qu'on appelle aujourd'hui l'immunisation passive). Il postulait que l'effet de la toxine est inhibé par sa fixation spécifique aux composants libérés par des cellules. On sait maintenant que ces composants sont des anticorps, protéines dont on ignorait alors l'existence. En d'autres termes « corpora non agunt nisi fixate” qu'on peut traduire par “un composant ne peut agir s'il n'est pas fixé». La preuve directe de l'existence de récepteurs fut apportée vers 1970 par l'isolement du récepteur nicotinique de l'acétylcholine à partir de l'organe électrique de poisson torpille (Torpedo marmorata) et d'anguille électrique (Electrophorus electricus) grâce à l'emploi de ligands radioactifs : l'agoniste acétyl-1-14C-choline et l'antagoniste 14C-hexaméthonium.
Pour en savoir plus, consultez le document suivant : « concept transmitter receptor Bennet [pdf] » (148 Ko).
Dans la recherche ultérieure de relations précises entre la molécule soluble (messager ou composant chimique à usage thérapeutique) et son récepteur, on introduisit le terme de “ligand”. Le ligand est défini comme une molécule se fixant sur son récepteur de façon spécifique et saturable. Le terme ligand s'applique à un large éventail de molécules endogènes allant du simple acide aminé (et dérivés) à des protéines volumineuses. Il désigne également des substances naturelles (endogène) et synthétiques (exogènes) qui interagissent avec le même récepteur. Lorsque ses substances miment l'action du ligand endogène, elles sont appelées « agonistes ». Lorsqu'elles n'ont aucun effet (et gênent uniquement la fixation du ligand endogène) on les appelle « antagonistes ».
Voir la figure 5 illustrant deux extrêmes dans l'interaction récepteur-ligand : liaison topographiquement très localisée, adrénaline, taille d'environ un acide aminé (pareil pour salbutamol (son agoniste) ou propranolol (son antagoniste)) ou très étendu, le facteur de croissance épidermique (EGF, protéine d'environ 53 acides aminés).
Remarque :
Le terme “ligand” fut d'abord proposé par des chimistes pour décrire un groupe donneur d'électrons qui forment des complexes de coordination avec des ions métalliques (donc des sites à l'intérieur de macromolécules (NADH, cytochrome c, phosphatases etc) qui fixent Ca2+, Mg2+, Fe2+, Zn2+, Mn2+ et autres métaux).
Les agonistes et antagonistes appartiennent à la pharmacopée classique et ont révolutionné le traitement de maladies chroniques graves. Deux bons exemples sont fournis par :
a) l'agoniste du récepteur \(\beta\)2-adrénergique dans le traitement de la broncho constriction (asthme) et
b) l'antagoniste du récepteur \(\beta\)1/\(\beta\)2-adrénergique (« \(\beta\)-bloquant ») dans le traitement de l'angine de poitrine (angor stable).
Cliquez ici pour pour plus d'information sur ce sujet [pdf] : Interaction entre récepteur et ligand et activation du récepteur: agonistes, agonistes-inverses et antagonistes.
Dans les ressources 08 « Acheminement des protéines à travers le REr et le Golgi » et 10 « » nous avons déjà introduit le terme « récepteur ». Les peptides de destination interagissent avec leur récepteur et cette interaction spécifique est à la base de l'acheminement des protéines synthétisées de nouveau. Dans cet exemple où le peptide de destination n'est évidemment pas un « premier messager », il se comporte tout de même comme un ligand, avec ses caractéristiques de liaison spécifique et saturable. Les termes s'appliquent donc très largement et définissent toujours une liaison précise entre deux molécules.
Complément : Excursion 1 : Hormones et autres premiers messagers.
Notion d'hormone
Après avoir travaillé, avec son beau frère William Bayliss, sur « la substance » sécrétine et son rôle dans la stimulation de la sécrétion des enzymes pancréatiques, et après avoir lu la littérature sur la sécrétion de l'adrénaline par la glande surrénale, Ernest Starling, de University College London, écrivait en 1905: “Ces messagers chimiques.... ou hormones (du grec “j'excite” ou “j'éveille”), comme nous pouvons les appeler, doivent être transportées par le flux sanguin, de l'organe où elles sont produites vers l'organe qu'elles affectent, et le besoin physiologique continuellement récurrent de l'organisme doit déterminer leur production soutenue et leur circulation dans le corps ».
Texte original : “These chemical messengers ... or hormones (meaning “I excite” or “I arouse”), as we may call them, have to be carried from the organ where they are produced to the organ which they affect, by means of the bloodstream, and the continually recurring physiological need of the organism must determine their repeated production and circulation throughout the body”. Starling E. On the chemical correlations of the functions of the body. Lancet 1905; 2: 339-341)
Pour en savoir plus, consultez le document suivant : PDF03 "Hormone starling henderson [pdf]" (719 Ko).
Les hormones sont habituellement libérées en petites quantités par des sites (glandes) éloignés des organes qu'elles ciblent. En entrant dans la circulation elles sont considérablement diluées et exposées à des enzymes lytiques (protéases). Pour la plupart, elles circulent, complexées à des protéines porteuses plus au moins spécifiques qui les protègent mais qui diminuent aussi leur efficacité biologique (biodisponibilité réduite). Dans les environs immédiats de l'organe cible la concentration est en conséquence extrêmement faible (de l'ordre du picomolaire). C'est vraisemblablement pour cela que la plupart des récepteurs sont caractérisés par une très forte affinité pour leur ligand et que les cellules les expriment souvent en excès (voir ci-dessous la section « excès de récepteurs »).
Des exemples d'hormones hydrosolubles sont inclus dans la liste de premiers messagers présentée dans la figure E01.
DEFINITIONS :
Endocrine implique “action à distance” d'une hormone qui se répand dans l'organisme entier à la rencontre des cibles tissulaires spécifiques
Paracrine implique l'action à très courte distance d'un premier messager libéré par une cellule du voisinage.
Quand le premier messager agit sur la cellule qui l'a produit on utilise le terme autocrine (constituant souvent une boucle de rétrocontrôle).
Facteurs de croissance
Les premiers travaux rapportant que des fragments de tissus biologiques pouvaient être maintenus vivants in vitro parurent peu après 1900 (Alexis Carrel, 1912) ; mais la culture de cellules dispersées ne devint courante qu'à partir de 1950. Le maintien de cellules proliférantes dépend de la composition du milieu de culture. Traditionnellement, il est composé d'un mélange de nutriments (glucides, acides aminés, acides gras et des vitamines) et de vitamines dissous dans une solution saline tamponnée. Un ingrédient indispensable est le sérum sanguin (souvent provenant du fœtus bovin). Sans lui, la plupart des cellules cultivées sont incapables de répliquer leur ADN et ne prolifèrent donc pas. Rappelons que l'obtention de sérum se fait à partir de sang que l'on laisse coaguler. La coagulation est due à l'agrégation des plaquettes (activation des molécules d'adhérence) et la formation d'un réseau de fibrine (à partir de fibrinogène) qui emprisonne tous les éléments figurés du sang (hématies et leucocytes) et forme ainsi le caillot. Au cours de la coagulation les cellules et surtout les plaquettes, libèrent de nombreux facteurs, dont le premier à avoir été identifié est le PDGF, platelet-derived growth factor. Le plasma, dont l'obtention nécessite l'élimination préalable par centrifugation de tous les éléments figurés, ne contient que de faibles taux de ces facteurs, et ne sera donc pas efficace pour le maintien en culture de cellules proliférantes.
Le PDGF appartient à la classe des facteurs de croissance, premiers messagers dont plus de 40 membres ont déjà été identifiés. Leur taille est variable : de 5,7 kDa pour l'insuline, 6 kDa pour l'EGF, 14 kDa pour le PDGF-A, on arrive à 78 kDa pour la transferrine. Les cellules portent des récepteurs de haute affinité pour les facteurs de croissance dont les fonctions vont bien au-delà de leur rôle reconnu sur la croissance cellulaire ; par exemple, induction de différenciation, migration ou encore apoptose.
Un des pionniers de la culture cellulaire est Renato Dulbecco à qui l'on doit, entre autres, le milieu de culture DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium). Il a été lauréat du prix Nobel en Physiologie ou Médecine en 1975, partagé avec Baltimore et Temin, "for their discoveries concerning the interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell".
Pour en savoir plus cliquez ici.
Cytokines
Parallèlement à la découverte des facteurs de croissance, plusieurs autres premiers messagers furent identifiés pour leur interaction avec les cellules du système immunitaire. Parce qu'ils activent ou modulent les propriétés prolifératives de ces types de cellules, ils furent d'abord dénommés « immunocytokines ». Mais, quand il apparut qu'ils agissaient également en dehors de ce contexte (immunité et inflammation), on les appela plus simplement « cytokines ». Exemples de cytokines : les interférons (INF\(\alpha\) ou \(\-\gamma\)), les TNFs (TNF\(\alpha\), TNF \(\beta\), FASL etc),les nombreuses interleukines (IL-1, 2b etc), les facteurs de stimulation des colonies hématopoïétiques (CSF) et les nombreuses chimiokines (facteurs qui recrutent les leucocytes aux sites d'inflammation. On peut dire que la distinction entre facteur de croissance et cytokine est arbitraire (voir excursion « nomenclature »). TNF a , cytokine typique, est par exemple également qualifié de facteur de croissance.
Pour plus d'information sur les cytokines, consulter « the cytokines web » : http://cmbi.bjmu.edu.cn/cmbidata/cgf/CGF_Database/cytweb/.
Agents vasoactifs
Le dommage tissulaire mécanique ou causé par un agent infectieux, déclenche une réponse inflammatoire. C'est un mécanisme de défense dans lequel des cellules spécialisées (surtout les leucocytes) sont recrutées sur le site et agissent de façon concertée pour éliminer l'agent infectieux et initier la réparation des dommages tissulaires. Le processus est complexe, impliquant de nombreuses interactions entre les cellules et de nombreux premiers messagers. Parmi les molécules impliquées on trouve :1) les cytokines dites « inflammatoires » (responsables de l'expression et de l'activation de molécules d'adhérence et de production d'autres cytokines) ; 2) les chimiokines (pour recruter les leucocytes) et 3) les agents vasoactifs. Ces derniers jouent un rôle vasodilatateur, qui d'une part augmente localement le volume du sang (et facilite donc l'accumulation des leucocytes) et d'autre part augmente la perméabilité vasculaire (et facilite l'entrée du plasma dans le tissu). On peut citer : l'histamine (libérée par les mastocytes et les basophiles), la sérotonine (libérée par les plaquettes), la bradykinine (libérée à partir d'un précurseur présent dans le plasma) et la famille des eicosanoïdes. Les eicosanoïdes dérivent tous d'un acide gras polyinsaturé, l'acide arachidonique (5, 8, 11, 14 acide eicosatétraenoïque). Le nom générique « eicosanoïdes » vient du fait qu'ils possèdent 20 atomes de carbone (du grec 
, vingt). Cette famille comprend les prostaglandines, les thromboxanes et les leukotriènes. Les eicosanoïdes agissent à courte distance (donc sur un mode auto- ou paracrine) et sont responsables des symptômes apparents de l'inflammation : rubor, calor, dolor et tumor. L'action anti-inflammatoire et anti-douleur de l'aspirine s'explique par le fait que cette substance inhibe une enzyme clé (cycloxygènase) de la voie de synthèse des prostaglandines (voir figure E.02).
NB L'aspirine ou acide acétylsalicilique, a été initialement isolé des feuilles et de l'écorce du Saule (Salix).
Neurotransmetteurs et neuropeptides
Les neurotransmetteurs [pdf] sont aussi des premiers messagers mais ont la particularité d'agir essentiellement au niveau de la synapse (zone de contact spécialisé entre cellules excitables). Ils sont synthétisés par l'élément présynaptique, stockés dans les vésicules de sécrétion, pour être libérés par voie d'exocytose contrôlée en doses restreintes dans la fente synaptique (largeur de ~0.1 µm). Le neurotransmetteur libéré dans la fente se lie à des récepteurs, présents en grande quantité sur l'élément post-synaptique. Il existe également des récepteurs présynaptiques impliqués dans le rétrocontrôle de l'activité synaptique. La figure E04 donne la structure de quelques neurotransmetteurs classiques. Dans le système nerveux central adulte le glutamate est le neurotransmetteur excitateur majeur, alors que le GABA (?-amino butyric acid) et la glycine sont inhibiteurs. L'acétylcholine est le neurotransmetteur excitateur spécifique de la jonction neuromusculaire mais il joue également un rôle important dans le système nerveux central et végétatif. D'une façon générale, les neurotransmetteurs cités ci-dessus sont accompagnés par des neuropeptides, qui ont également des récepteurs spécifiques en position post-synaptique. Les rôles des ces neuropeptides synaptiques sont extrêmement divers. Deux exemples précis : dans la jonction musculaire l'acétylcholine est accompagnée du CGRP (calcitonin gene related peptide) qui entre autres, joue un rôle important dans l'expression et l'organisation du récepteur nicotinique de l'acétylcholine (signal de renforcement) ; dans les neurones sensitifs afférents à la moelle épinière, la substance P est impliquée dans la neurotransmission nociceptive (douleur).
Hormones lipophiliques
Ce sont des hormones appartenant soit à la famille des stéroïdes, soit à celle des hormones thyroïdiennes (voir figure E05). Elles sont capables de traverser la membrane et leurs récepteurs intracellulaires sont des facteurs de transcription (aussi appelé « récepteurs nucléaires) qui agissent sur l'expression des gènes et sont donc responsables d'une réponse « lente » mais « long terme » (McEwen, 1991) . On sait maintenant que ces hormones ont également des récepteurs membranaires qui transmettent rapidement des signaux par la production de seconds messagers. La fixation à la membrane peut aussi être responsable d'une interférence avec d'autres récepteurs membranaires. Pour exemple on peut citer l'action de la progestérone sur l'utérus de la ratte gestante. La progestérone maintient quiescente la gestation de deux façons : par l'activation de son récepteur nucléaire (qui entraine la transcription des gènes) et par l'inhibition du récepteur à l'ocytocine (oxytocine) responsable des contractions utérines .
Pour plus d'information sur ocytocine et « biologie moléculaire du paradis » voir : http://www.oxytocin.org/.
Nomenclature
Les ligands extracellulaires endogènes qui en se fixant sur leurs récepteurs, les activent spécifiquement, sont qualifiés de premiers messagers. Ils peuvent être sous-classés en hormones, neurotransmetteurs, facteurs de croissance, interleukines, chimiokines etc. Ces termes tendent à définir une fonction majeure dans un certain contexte. Cependant, les exemples suivants démontrent largement que cette définition stricte est illusoire car tous premiers messagers ont des fonctions multiples.
Le coenzyme ATP et le métabolite cellulaire glutamate, sont également des neurotransmetteurs lorsqu'ils sont libérés dans une synapse.
Les hormones digestives gastrine, cholécystokinine et sécrétine sont aussi présentes dans le système nerveux central où elles exercent d'importantes fonctions de neuromodulateurs (capables d'influencer la libération des neurotransmetteurs).
La somatostatine, identifiée à l'origine comme un facteur hypothalamique inhibiteur de sécrétion de l'hormone de croissance hypophysaire (GH) exerce aussi des fonctions de neurotransmetteur ou neuromodulateur dans le système nerveux. En outre, elle est présente dans le pancréas en tant qu'agent paracrine et endocrine (inhibition de la sécrétion de glucagon)
L'insuline, hormone de régulation du métabolisme glucidique, agit également comme facteur de croissance.
La thrombine, caractérisée comme facteur de coagulation, joue aussi le rôle de facteur de croissance.
Certains facteurs de croissance ont été dénommés d'après les éléments dans lesquels on les a découverts pour la première fois (PDGF), d'autres d'après les cellules qu'ils étaient capables de stimuler (FGF, EGF, NGF, EPO) et encore d'autres selon leur fonction majeure (TGF b , TNF, CSF). En immunologie on parle d'interleukines et de facteurs de stimulation de colonies cellulaires (CSF), nécessaires pour la maturation et la prolifération des leucocytes. En virologie, on parle d'interférons qui « interfèrent » avec l'infection virale. En cancérologie on trouve des facteurs de nécrose tumorale (TNF a ) et des facteurs de « transformation ». Et enfin, en embryologie on parle de « morphogènes ». Implicitement, on pensait que ces facteurs agissaient principalement dans la fonction biologique pour laquelle ils avaient été découverts. Bien sur, nous savons maintenant que les facteurs dis de croissance ont des rôles très divers, qui dépassent largement le cadre de la croissance cellulaire. Le PDGF, relargué à partir de plaquettes dans des sites de blessure tissulaire, non seulement favorise la croissance des fibroblastes, des cellules gliales et des cellules musculaires lisses, mais est en outre capable de réguler leur migration. Un autre exemple est celui de TGF b dont le nom suggère qu'il stimule la transformation (qui rend les cellules malignes). On sait maintenant qu'il peut inhiber la prolifération cellulaire, qu'il est un très puissant facteur chimiotactique et qu'il contribue à la différenciation des lignées myéloïdes (leucocytes). Ajoutant à la complexité, les conditions dans lesquelles les cellules sont étudiées (le contexte) peuvent influer sur la réponse cellulaire : par exemple la présence d'autres facteurs, d'autres cellules ou encore l'attachement, ou non, à la matrice extracellulaire.
Pout tous ces facteurs on a proposé le nom collectif de « cytokines ». Le concept de cytokines est à considérer parallèlement à celui d'hormones, défini par Bayliss et Starling en 1905, bien que la pharmacologie des hormones soit beaucoup mieux explorée. Cependant, il est très difficile de donner une définition rigoureuse, aussi bien d'une hormone que d'une cytokine car la multiplicité de leurs sites de production, de leurs effets principaux et de leur nature chimique, est considérable.