Rôle de la signalisation des mitogènes dans la progression du cycle cellulaire La voie ERK joue un rôle important d’intégration des signaux externes provenant de la présence de mitogènes tels que le facteur de croissance épidermique (EGF) dans les événements de signalisation favorisant la croissance et la prolifération des cellules chez de nombreux types de cellules de mammifères. Dans un modèle simplifié, la présence de mitogènes et de facteurs de croissance déclenche l’activation des tyrosines kinases des récepteurs canoniques telles que l’EGFR conduisant à leur dimérisation et à l’activation subséquente de la petite GTPASE Ras. Cela conduit ensuite à une série d’événements de phosphorylation en aval dans la cascade de MAPK (Raf-MEK-ERK) entraînant finalement la phosphorylation et l’activation d’ERK. La phosphorylation d’ERK entraîne une activation de son activité kinase et conduit à la phosphorylation de ses nombreuses cibles en aval impliquées dans la régulation de la prolifération cellulaire. Dans la plupart des cellules, une certaine forme d’activité ERK soutenue est nécessaire pour que les cellules activent les gènes qui induisent l’entrée dans le cycle cellulaire et suppriment les régulateurs négatifs du cycle cellulaire. Deux de ces cibles importantes comprennent les complexes de cycline D avec Cdk4 et Cdk6 (Cdk4 / 6) qui sont tous deux phosphorylés par ERK. La transition de la phase G1 à la phase S est coordonnée par l’activité de la cycline D-Cdk4/ 6, qui augmente à la fin de la phase G1 lorsque les cellules se préparent à entrer en phase S en réponse aux mitogènes. L’activation de Cdk4 / 6 contribue à l’hyper-phosphorylation et à la déstabilisation subséquente de la protéine du rétinoblastome (Rb). Rb hypo-phosphorylé, est normalement lié au facteur de transcription E2F au début de G1 et inhibe son activité transcriptionnelle, empêchant l’expression des gènes d’entrée en phase S, y compris la Cycline E, la Cycline A2 et l’Emi1. L’activation ERK1/2 en aval de la signalisation Ras induite par le mitogène est nécessaire et suffisante pour éliminer ce bloc de cycle cellulaire et permettre aux cellules de passer en phase S dans la plupart des cellules de mammifères.
Contrôle de rétroaction en aval et génération d’un commutateur bistable G1/S
Les signaux de croissance et de mitogène sont transmis en aval de la voie ERK est incorporée dans de multiples boucles de rétroaction positive pour générer un commutateur bistable au niveau de l’activation E2F. Cela se produit en raison de trois interactions principales au cours de la phase G1 tardive. La première est le résultat d’une stimulation mitogène par le biais de l’ERK conduisant à l’expression du facteur de transcription Myc, qui est un activateur direct de l’E2F. La deuxième voie est le résultat d’une activation de l’ERK conduisant à l’accumulation de complexes actifs de Cycline D et Cdk4 / 6 qui déstabilisent Rb par phosphorylation et servent en outre à activer E2F et à favoriser l’expression de ses cibles. Enfin, ces interactions sont toutes renforcées par une boucle de rétroaction positive supplémentaire par E2F sur elle-même, car sa propre expression conduit à la production du complexe actif de Cycline E et CDK2, qui sert en outre à verrouiller la décision d’une cellule d’entrer en phase S. En conséquence, lorsque la concentration sérique est augmentée de manière progressive, la plupart des cellules de mammifères réagissent de manière commutative en entrant en phase S. Ce commutateur E2F bistable stimulé par le mitogène présente une hystérésis, car les cellules sont empêchées de revenir à G1 même après le retrait du mitogène après l’activation de l’E2F.
Le traitement dynamique du signal par la voie ERK
Des expériences d’imagerie unicellulaire ont montré que ERK était activé en sursauts stochastiques en présence d’EGF. De plus, il a été démontré que la voie codait la force des entrées de signalisation par des impulsions modulées en fréquence de son activité. En utilisant des biocapteurs de FRET à cellules vivantes, les cellules ont induit avec différentes concentrations des rafales d’activité illicite de l’EGF de fréquence différente, où des niveaux plus élevés d’EGF ont entraîné des rafales d’activité ERK plus fréquentes. De plus, la dynamique de l’activation de l’ERK en réponse aux mitogènes s’est avérée pertinente pour des réponses en aval uniques, y compris le moment de l’entrée de la phase S dans les cellules MCF10A. Divers types de facteurs de croissance peuvent également conduire à une dynamique ERK unique dans d’autres types cellulaires, ce qui suggère que la dynamique temporelle de l’activation d’ERK est un moyen général de coder des programmes d’expression génique uniques par les cellules.
Intégration de signaux de mitogène et de stress dans la prolifération
Des expériences récentes d’imagerie de cellules vivantes dans des cellules MCF10A et MCF7 ont montré qu’une combinaison de signaux de signalisation de mitogène via ERK et de signaux de stress via l’activation de p53 dans les cellules mères contribue à la probabilité de voir les cellules filles nouvellement formées réintégrer immédiatement le cycle cellulaire ou entrer en quiescence (G0) précédant la mitose. Plutôt que des cellules filles commençant sans protéines de signalisation clés après la division, l’ARNm de la cycline D1 induite par le mitogène / ERK et la protéine p53 induite par les dommages à l’ADN, deux facteurs à longue durée de vie dans les cellules, peuvent être hérités de manière stable des cellules mères après la division cellulaire. Les niveaux de ces régulateurs varient d’une cellule à l’autre après la mitose et la stoechiométrie entre eux influence fortement l’engagement du cycle cellulaire par l’activation de Cdk2. Les perturbations chimiques utilisant des inhibiteurs de la signalisation ERK ou des inducteurs de signalisation p53 dans les cellules mères suggèrent que les cellules filles avec des niveaux élevés de protéine p53 et de faibles niveaux de transcrits de la cycline D1 pénètrent principalement dans G0 alors que les cellules avec des niveaux élevés de cycline D1 et de faibles niveaux de p53 sont les plus susceptibles de revenir dans le cycle cellulaire. Ces résultats illustrent une forme de mémoire moléculaire codée à travers l’histoire de la signalisation mitogène par ERK et la réponse au stress à travers p53.