Le rôle de l’affinité des interférons de type I à leur récepteur dans la transduction différenciée du signal

Lors de cette étude, nous avons voulu comprendre comment les différents interférons de type I peuvent, en utilisant le même récepteur et à concentrations égales, gouverner des réponses cellulaires spécifiques.

L’élément d’explication que nous développerons sera le lien entre les différentes affinités des sous-types d’IFN pour leur récepteur, et leurs conséquences sur la transduction.Par Gendre Charles, Santo Julien et Senecal Adrien (étudiant en L3 biochimie).

Les interférons (IFN) de type I font partie d’une famille de cytokines homologues, ils regroupent les sous-types α et β qui ont été identifiés pour leurs capacités anti-virales et anti-prolifératives (lutte contre les cancers). De nombreuses pathologies médicales utilisent les IFNs de type I comme traitement (hépatite virale, multiples scléroses, etc). Ils sont produit en peu de temps et déclenchent rapidement une réponse immunitaire.

Chez l’homme, il existe de nombreux gènes pour l’IFN-α et un seul pour le β, mais tous les différents sous-types d’IFN de type I sont structurellement homologues et partagent les mêmes récepteurs cellulaires transmembranaires. Ces récepteurs sont constitués de 2 sous-unités : IFNAR-1 et IFNAR-2.Ces IFN forment avec IFNAR-1 et 2 un complexe ternaire qui démarre la cascade de signalisation à travers l’activation de la tyrosine kinase Tyk2 et de Janus kinase Jak1. Se produit ensuite une phosphorylation puis une dimérisation de STAT1 et STAT2. Les dimères STAT activés se dissocient du récepteur et vont migrer dans le noyau où ils réguleront l’expression des gènes stimulés par les IFNs (ISG).Lors de cette étude, nous avons voulu comprendre comment les différents interférons de type I peuvent, en utilisant le même récepteur et à concentrations égales, gouverner des réponses cellulaires spécifiques. L’élément d’explication que nous développerons sera le lien entre les différentes affinités des sous-types d’IFN pour leur récepteur, et leurs conséquences sur la transduction.

Stabilité du complexe ternaire

Les études ont montré que les différents IFNs ont des affinités diverses pour les ecto-domaines des 2 sous-unités du récepteur. La formation d’un complexe ternaire IFNAR-2-IFNα/β-IFNAR-1 est nécessaire à la transduction du signal (1). Tous les interférons ont une grande affinité pour IFNAR-2, supérieure à celle qu’ils ont pour IFNAR-1. De plus, c’est cette dernière qui différencie les IFN-α et IFN-β.

L’IFN-α possédant une très faible affinité pour IFNAR-1, il se lie d’abord sur IFNAR-2 pour lequel la liaison est 1000 fois plus forte (4). Ensuite IFNAR-1 s’y fixe transitoirement pour former un complexe ternaire éphémère (1 à 5 sec.). L’IFN-β possède quant à lui une plus haute affinité à IFNAR-1 (40 fois plus que l’α) ce qui permet d’obtenir un complexe ternaire plus stable (100 sec.). Nous pouvons donc constater que dans ces processus de liaisons, conduits par les constantes d’association et de dissociation (ka et kd), l’affinité à IFNAR-1 est l’élément limitant pour la stabilité du complexe. Selon les interférons produits en réaction à un virus, et la concentration membranaire en sous-unités IFNAR spécifique au type cellulaire, des complexes ternaires plus ou moins stables peuvent se former. Ces différences de stabilités pourraient ainsi diriger une réponse différenciée.Pour le vérifier, des études sur un IFN-α mutant (3) (appelé HEQ) ont été menées. La mutation de trois acides aminés lui confère une haute affinité pour IFNAR-1 à un niveau équivalent à celui de l’IFN-β. En effet, il a été constaté une durée de vie du complexe ternaire (kd) est 30 fois supérieur chez le mutant HEQ et l’IFN-β que pour les IFN-α. Le mutant HEQ permet ainsi la formation d’un complexe stable et la comparaison de son action avec celle de l’IFN-β.

Potentialisation de la cascade Jak/STAT

La liaison de l’IFN au complexe récepteur initie une cascade de signalisation par l’activation de la tyrosine kinase Tyk2 et la Janus kinase Jak1, ce qui induit la phosphorylation et la dimérisation de STAT1 et STAT2. Ces processus sont communs à tous les interférons de type I à l’origine de la transduction (5). On observe cependant des différences quantitatives de phosphorylations suivant la nature de l’interféron (3). A concentrations égales, les IFN-α2 activent bien plus la phosphorylation des STAT que les interférons IFN-α1. De plus, il existe une meilleure affinité globale entre l’IFN-α2 et le récepteur (6). On peut donc supposer que des complexes ternaires plus stables, permettrait une meilleure potentialisation de la cascade Jak/STAT. Au même titre, les IFN-β forment des complexes ternaires beaucoup plus stables que les IFN-α, il est donc possible qu’ils induisent un niveau de phosphorylation supérieur. Néanmoins les documents nous ont manqué pour le démontrer.

Régulation différentielle des ISGs

Les dimères STAT s’associent à IRF9 pour former le complexe de transcription ISGF3 liant les ISREs présents dans les promoteurs des ISGs (IFN-stimulated-genes). Les STAT dirigent aussi l’expression d’un sous-ensemble d’ISGs au travers des éléments GAS (gamma activated sequence) (1).

On retrouve entre les sous-types d’IFN-α des différences de régulation directement liées aux potentialisations de la cascade Jak/STAT (3). Ainsi, à concentrations égales, les IFN-α2 activent bien plus la transcription des ISGs que l’IFN-α1 (2 à 4 fois plus). A hautes concentrations, le même pattern d’ISGs est autant exprimé quelque soit l’IFNα. Il est important de remarquer que la réponse différentielle est de nature quantitative et non qualitative. Cependant, la très forte expression de la protéine IP-10 spécifique à l’IFN-α2 chez la cellule dendritique reste problématique (100 fois plus qu’avec l’IFN-α1). Elle laisse envisager que l’IFN-α2 active un signal additionnel ou qu’un mécanisme d’un seuil transcriptionnel existe pour le gène IP-10.Entre le mutant HEQ et l’IFN-β (2), nous retrouvons le même profil d’expression des ISGs. L’IFN-α présente un profil d’induction et de répression des ISGs bien moins prononcé. Ceci confirme un lien effectif entre l’affinité à IFNAR-1 et la spécificité de la transduction du signal. Comme vu précédemment avec les sous-types d’IFN-α, à hautes concentrations, les trois interférons (HEQ, IFN-β, IFN-α) présentent le même profil d’expression. On retrouve l’idée que la spécificité de la réponse est de nature quantitative. Cette quantité de signal permettrait de favoriser l’expression d’un motif de gènes au détriment d’un autre (11), ce qui déterminerait une action antivirale ou antiproliférative. Différentes régulations des ISGs selon les interférons

La réponse immunitaire

Comme on l’a vu précédement, en terme de réponse cellulaire, l’IFN-α crée une réponse plutôt antivirale tandis que l’IFN-β amène à une réponse majoritairement antiproliférative. Comme il est attendu, le mutant HEQ induit une réponse majoritairement antiproliférative comme l’IFN-β (2).

La protéine IP-10 produite en grande quantité par l’action de l’IFN-α2 permettra un bon recrutement et transport des cellules Th1 vers les sites d’inflammation (7). L’action des IFN-α1 sera globalement plus faible que celle des IFN-α2, ce qui correspond à la moindre induction de la transcription des ISGs.

Discussion

On a pu constater au cours de cette étude que la stabilité du complexe ternaire dépendrait de la potentialité de la voie Jak/STAT et donc de l’intensité de la régulation expressionelle du motif ISG associé. Le volume de transcription du motif créerait ainsi une réponse cellulaire qualitativement différente. Néanmoins, les causes citées ci-dessus ne suffiraient pas à expliquer à elles seules ces différences dans les réponses induites comme nous l’observons avec l’expression spécifique d’IP-10. La possibilité de cascades de signalisation alternatives induites par l’IFN-β est à l’étude (8). De plus, l’endocytose du complexe recepteur-interféron pourrait jouer un rôle important dans la spécificité de la transduction (10). En effet, l’inhibition de l’endocytose dépendante de la clathrine des récepteurs à interférons semble nécessaire pour mener à bien la réponse cellulaire (9) et pourrait contribuer à l’établissement d’une spécificité dans les cascades de signalisation.

Bibliographie

1. The receptor of the type I interferon family, 2007, Gilles Uzé et al.

2. Inquiring into the differential action of interferons (IFNs): an IFN-α2 mutant with enhanced affinity to IFNAR1 is functionally similar to IFN-β, 2005, Molecular and cellular biology, Diego A. Jaitin et al.

3. Differential responses to IFN-α subtypes in human T cells and dendritic cells, 2003, The journal of Immunology, Catharien M. U. Hilkens et al.

4. Ligand-induced assembling of the type I interferon receptor on supported lipid bilayers, 2004, Journal of molecular biology, P Lamken et al.

5. The Jak-STAT pathway stimulated by interferon alpha or interferon beta, 2004, Science’s STKE : signal transduction knowledge environment, CM. Horvath et al.

6. Different binding of human interferon alpha 1 and alpha 2 to common receptors on human and bovine cells. Studies with recombination interferons produced in Escherichia coli, 1983, The Journal of biological chemistry, S. Yonehara et al.

7. IP-10 is critical for effector T cell trafficking and host survival in Toxoplasma gondii infection, 2000, Immunity, IA. Khan et al.

8. Alternative and accessory pathways in the regulation of IFN-beta-mediated gene expression, 2005, Journal of interferon & cytokine research, MR Rani et al.

9. Stat-mediated Signaling Induced by Type I and Type II Interferons (IFNs) Is Differentially Controlled through Lipid Microdomain Association and Clathrin-dependent of IFN Receptors, 2006, Molecular Biology of the cell, M. Marchetti et al.

10. Endocytosis Conducts the Cell Signaling Orchestra, 2006, Cell, S. Polo et al.

11. Expressed Gene Clusters Associated with Cellular Sensitivity and Resistance Towards Anti-viral and Anti-proliferative Actions of Interferon, 2004, Journal of molecular biology, KS. Khabar.