Jusqu’à une époque récente, le monde des arrestines n’était
familier qu’à un nombre restreint de biologistes s’intéressant aux
récepteurs à sept domaines transmembranaires (7TM) couplés aux
protéines G hétérotrimériques. Comme leur nom l’indique, les
arrestines sont des protéines dont la plus ancienne fonction connue
est d’arrêter, en partenariat avec les G protein-coupled receptor
kinases (GRK), des protéine kinases spécifiques des 7TM, le signal
cellulaire propagé par cette famille de récepteurs via les
protéines G. Cette fonction est essentielle car, pour être
opérationnelle, toute régulation cellulaire par des récepteurs
nécessite d’être limitée dans le temps. Ainsi, les arrestines
visuelles des cônes et des bâtonnets interrompent l’activation de
la transducine (la protéine G rétinienne) par la rhodopsine exposée
à la lumière. Dans tous les autres tissus, les béta-arrestines
1 et 2 (bétaarr1 et bétaarr2) interagissent avec la plupart
des autres 7TM en assurant le même type de régulation, connu sous
le terme générique de désensibilisation.
Un premier saut quantitatif dans l’élucidation des fonctions des
bétaarr remonte à environ huit ans quand il a été rapporté que ces
molécules étaient également nécessaires au phénomène d’endocytose
des 7TM activés par leurs ligands. Comme nous l’avons rappellé plus
haut, la plupart des 7TM sont phosphorylés et désensibilisés après
activation. La translocation des bétaarr du cytosol vers les
récepteurs activés permet d’établir un pont moléculaire entre ces
derniers et des molécules de la machinerie d’endocytose comme la
protéine adaptatrice AP2 et la clathrine. Les récepteurs sont alors
mobilisés vers les puits recouverts de clathrine de la voie
d’endocytose constitutive et internalisés. L’importance biologique
de ce phénomène et le devenir des récepteurs internalisés ont fait
l’objet d’un récent article dans médecine/sciences [1].
L’explosion de nos connaissances sur les multiples fonctions des
bétaarr remonte aux cinq dernières années (pour revue, voir [2-4]).
De protéines purement régulatrices, les bétaarr sont
progressivement apparues comme des protéines possédant de
nombreuses fonctions de transduction du signal, et cela de façon
souvent indépendante de l’activation des protéines G
hétérotrimériques. À titre d’exemple, les bétaarr participent au
contrôle de la prolifération et de la survie cellulaire par les
7TM. Elles activent, en effet, la tyrosine kinase Src et sont des
protéines d’échafaudage des cascades d’activation des
mitogen-activated protein kinases ERK 1/2 et JNK3. S’il a été bien
établi que l’ubiquitinylation des bétaarr par l’E3
ubiquitine-ligase Mdm2 participe à la régulation de l’endocytose
des 7TM, l’interaction des bétaarr avec Mdm2 pourrait, de plus,
contrôler la concentration et la fonction de la protéine
anti-oncogénique p53, dont la dégradation par le protéasome est
sous le contrôle de l’ubiquitinylation par Mdm2. Les voies de
signalisation impliquant les bétaarr concernent également les
réponses inflammatoires et l’immunité. L’invalidation des gènes
codant pour les bétaarr chez la souris (qui est létale quand
l’expression de bétaarr1 et bétaarr2 est abolie simultanément) et
les résultats d’expériences d’interférence par l’ARN indiquent que
les bétaarr jouent un rôle essentiel dans la migration
leucocytaire. Par exemple, des souris dont le gène codant pour la
bétaarr2 a été invalidé et sensibilisées à un pneumallergène ne
développent pas de réaction asthmatique à cause d’un défaut de
migration pulmonaire de lymphocytes T. Dans un contexte différent,
la bétaarr2 limite la réaction inflammatoire en stabilisant, par
interaction directe, la protéine IkappaBalpha qui inhibe le
médiateur inflammatoire NF-kappaB. Cette stabilisation est accrue
par la stimulation béta-adrénergique et constitue l’un des
mécanismes par lesquels le système nerveux sympathique contrôle le
système immunitaire. La liste des fonctions biologiques impliquant
les bétaarr est trop longue pour pouvoir être développée ici de
façon exhaustive. Elle est probablement loin d’être complète car
des études récentes indiquent que les bétaarr pourraient avoir
également des fonctions nucléaires et qu’elles pourraient
participer au contrôle des voies de signalisation déclenchées par
des récepteurs d’autres familles, comme les récepteurs de
l’insuline, des low density lipoproteins (LDL) ou du transforming
growth factor béta.
Les bétaarr ont fait une entrée remarquée dans le domaine du
développement à l’occasion de la publication récente de deux
articles indiquant le rôle joué par bétaarr2 dans le contrôle de la
fonction de la protéine Smoothened (Smo) [5, 6]. Smo est une
protéine à sept domaines transmembranaires participant à la voie de
signalisation de Sonic Hedgehog (Shh), une glycoprotéine
essentielle à la structuration embryonnaire. Chez l’adulte, cette
voie de signalisation joue un rôle dans l’homéostasie tissulaire
comme le montre le fait que son activation constitutive peut être
associée à des cancers. Shh est sécrétée et agit à distance en se
liant à une protéine comprenant 12 domaines transmembranaires,
connue sous le nom de Patched (Ptc). En l’absence de Shh, Ptc
inhibe de façon catalytique Smo (Figure 1). L’inactivation de Ptc
par la liaison de Shh permet l’activation de Smo qui conduit à
l’activation des facteurs de transcription de la famille Gli.
Malgré des progrès récents [7] dans la compréhension des mécanismes
moléculaires mis en jeu dans cette voie de signalisation,
initialement étudiée par des approches génétiques chez la
drosophile, plusieurs zones d’ombre persistent.
Figure 1. Le signal Hedgehog. A. À l’état basal, la protéine à
12 régions transmembranaires Patched (Ptc) exerce une inhibition
tonique sur Smoothened (Smo). Les facteurs transcriptionnels de la
famille Gli ne sont pas transloqués dans le noyau et n’activent pas
leurs gènes cibles. B. Quand Sonic Hedgehog (Shh) se lie à Ptc,
l’inhibition de Smo est levée et l’activation de la voie de
signalisation en aval de Smo permet le passage nucléaire de Gli et
l’activation des gènes cibles.
Dans l’un des deux articles mentionnés plus haut [5], il est
rapporté que deux protéines, connues pour contrôler les 7TM couplés
aux protéines G, étaient capables d’interagir avec Smo une fois que
l’inhibition exercée par Ptc sur ce dernier était levée à la suite
de la liaison de Shh. Une de ces protéines est la kinase GRK2, qui
phosphoryle Smo, l’autre est la bétaarr2. Comme pour les 7TM
classiques, la translocation de bétaarr2 vers Smo conduit à son
internalisation via les puits recouverts de clathtrine (Figure 2A).
L’interaction entre bétaarr2 et Smo pourrait aussi être la première
étape d’une nouvelle voie de signalisation en aval de Smo
impliquant bétaarr2 (Figure 2B). Cette hypothèse est démontrée dans
le deuxième article [6]. En utilisant des morpholino-antisens
ciblant la bétaarr2 du poisson zèbre, les auteurs ont montré que
l’inhibition d’expression de bétaarr2 était associée à des
anomalies phénotypiques très proches de celles qui sont observées
lors de la mutation du gène Smo. De plus, l’expression de gènes
cibles de la voie Shh, étudiée par hybridation in situ avec des
sondes spécifiques, est éteinte dans les embryons injectés avec les
morpholino-bétaarr2. Enfin, l’activation constitutive de la voie
Shh en aval de Smo peut rétablir un phénotype normal dans les
embryons injectés avec des morpholino-antisens anti-bétaarr2.
Malgré le fait que les mécanismes moléculaires mis en jeu restent
en grande partie à élucider, les données publiées dans ces deux
articles indiquent que bétaarr2 contrôle la voie de signalisation
de Shh chez le poisson zèbre pendant l’embryogenèse et que cette
régulation est probablement relayée par l’interaction de bétaarr2
avec Smo.
Nul doute que les béta-arrestines ne vont pas encore arrêter de
nous surprendre…
Figure 2. Rôles de GRK2 et bétaarr2 dans la voie de
signalisation Hedgehog. A. La liaison de Sonic Hedgehog (Shh) à
Patched (Ptc) et l’activation de Smoothened (Smo) qui en résulte
conduisent à l’interaction de Smo avec la kinase GRK2 qui le
phosphoryle. La bétaarr2 est transloquée vers Smo et des
interactions moléculaires s’établissent alors entre bétaarr2 et des
protéines de la machinerie d’endocytose comme la protéine
adaptatrice AP2 et la clathrine. Le complexe Smo-bétaarr2
s’accumule dans les puits recouverts et est internalisé. B. Au
cours du développement embryonnaire du poisson zèbre, bétaarr2 est
un intermédiaire de la voie de signalisation Shh en aval de Smo et
en amont de l’activation transcriptionnelle. Les mécanismes
moléculaires mis en jeu restent encore à élucider.
Références
1. Marullo S, Scott MGH, Benmerah A. Endocytose des
récepteurs couplés aux protéines G. Med Sci (Paris) 2004 ; 20 :
78-83.
2. Miller WE, Lefkowitz RJ. Expanding roles for
béta-arrestins as scaffolds and adapters in GPCR signaling and
trafficking. Curr Opin Cell Biol 2001 ; 13 : 139-45.
3. Shenoy SK, Lefkowitz RJ. Multifaceted roles of
béta-arrestins in the regulation of seven-membrane-spanning
receptor trafficking and signalling. Biochem J 2003 ; 375 :
503-15.
4. Lefkowitz RJ, Whalen EJ. béta-arrestins: traffic cops
of cell signaling. Curr Opin Cell Biol 2004 ; 16 : 162-8.
5. Chen W, Ren XR, Nelson CD, et al. Activity-dependent
internalization of Smoothened mediated by béta-arrestin 2 and GRK2.
Science 2004 ; 306 : 2257-60.
6. Wilbanks AM, Fralish GB, Kirby ML et al.
béta-arrestin 2 regulates zebrafish development through the
hedgehog signaling pathway. Science 2004 ; 306 : 2264-7.
7. Lum L, Beachy PA. The Hedgehog response network:
sensors, switches and routers. Science 2004 ; 304 : 1755-9.
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