Le repliement des protéines

Le repliement des protéines 

Importance du repliement

Les protéines constituent la partie la plus importante de la masse sèche d’une cellule. Elles ne sont pas seulement “l’échafaudage“ de la cellule mais sont à l’origine de toutes les réactions intra et extra-cellulaires. La nature, la diversité des protéines cellulaires (environ 100000 protéines pour un être humain) sont en rapport direct avec le nombre de signaux et d’activités cellulaires. La fonction d’une protéine dans la cellule et son activité seront dépendantes du repliement adopté par celle-ci. Seules les protéines correctement repliées auront une activité. Le mécanisme par lequel les protéines acquièrent leurs structures ou conformations natives n’est pas  encore à l’heure actuelle entièrement résolu. Depuis qu’Anfinsen a décrit il y a 30 ans qu’une protéine pouvait acquérir sa conformation native spontanément in vitro, il est admis que le repliement d’une protéine se fait en fonction de sa composition en acides aminés, et en fonction des interactions non covalentes entre les résidus portés sur les chaînes latérales (Anfinsen, 1973). La séquence en acides aminés contenant en effet toute l’information nécessaire à l’acquisition de la structure tridimensionnelle. Dans les années 60, Levinthal a calculé que le nombre de conformations possibles à adopter pour un polypeptide serait de l’ordre du nombre d’atomes dans l’univers. Le repliement d’une protéine n’est donc pas unique. Une protéine en cours de repliement n’adoptera pas toutes les conformations possibles mais seulement la structure de plus faible entropie. In vivo, la concentration en protéines et macromolécules est de l’ordre de 300-400mg/ml. C’est dans cet environnement très encombré que les protéines doivent se replier. La découverte de protéines spécialisées, essentielles au repliement des protéines appelées les protéines chaperons, a modifié le concept du repliement spontané des protéines. En effet, les protéines chaperons sont exprimées de façon ubiquitaire et interviennent dans le mécanisme de repliement des protéines chez les eubactéries, les archéebactéries et cellules eucaryotes (Hendrick, 1993). Il existe dans la cellule, des processus cellulaires qui contrôlent le repliement des protéines encore appelés, mécanismes de contrôle qualité du repliement des protéines.

Les mécanismes de contrôle qualité

Au niveau cellulaire, des voies de contrôle qualité interviennent dans les compartiments cellulaires où sont fabriqués des protéines.

Contrôle qualité cytosolique

Le contrôle qualité du repliement des protéines dans le cytosol est étroitement lié aux protéines chaperons. Les protéines chaperons vont prendre en charge les protéines en cours de traduction dès la sortie du ribosome. Elles reconnaissent des régions hydrophobes ou exposées au solvant sur les protéines en cours de synthèse et préviennent ainsi des interactions aspécifiques avec d’autres protéines et la formation d’agrégats irréversibles que les protéines néo-synthétisées pourraient réaliser (Hartl, 1996). Différentes familles de protéines chaperons se trouvent dans le cytosol : les familles de protéines de choc thermique (Hsp : Heat shock protein) Hsp100, Hsp90, Hsp70, Hsp60, Hsp40 et les petites Hsps. Les protéines chaperons ont été identifiées au départ en condition de stress thermique. Dans ces conditions elles sont produites en plus grande quantité afin de réparer les protéines dénaturées par la chaleur (Pelham, 1986). Les chaperons interagissent avec les protéines mal repliées et tentent de les replier correctement. Si les protéines ne peuvent pas être repliées correctement, elles sont adressées aux voies de dégradation protéolytiques et dégradées. Les plus connues des protéines chaperons cytosoliques sont les familles Hsp70 et Hsp60. Ces protéines présentent des différences au niveau structural. Hsp70 est active sous une forme monomérique et assiste le repliement des protéines en interagissant avec les séquences hydrophobes des protéines dépliées. Hsp60 (famille des chaperonines) est active sous une forme oligomérique en doubles anneaux avec une cavité interne où se logent les protéines en cours de repliement. Les protéines chaperons du cytosol sont présentes en conditions basales. Certaines de ces protéines sont inductibles en condition de stress et ainsi augmente la capacité des cellules à réparer les protéines endommagées.

Contrôle qualité au niveau du réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique est le compartiment cellulaire où les protéines adressées aux voies sécrétoires acquièrent leurs conformations et subissent des modifications posttraductionnelles, telles que des N-glycosilations et formations de ponts disulfures essentielles à l’acquisition d’une structure native correcte. La concentration en protéines au niveau du réticulum endoplasmique (RE) est d’environ 100mg/ml et le nombre de protéines synthétisées dans des cellules sécrétrices hépatocytaires a été évalué à 13 millions de protéines par minute. Pour réaliser dans un environnement aussi encombré un événement thermodynamiquement défavorable tel que le repliement des protéines, la cellule utilise une grande partie de son énergie. Il existe, comme au niveau du cytosol, une série de contrôles permettant aux protéines de se replier correctement. Ces mécanismes de contrôle qualité impliquent les protéines chaperons du réticulum endoplasmique (RE).

En condition normale
Une protéine en cours de repliement qui arrive dans la lumière du RE est prise en charge par la protéine BIP (Grp78) qui la maintient soluble et empêche qu’elle ressorte du RE. BIP est une des protéines chaperons les plus abondantes dans la lumière du Réticulum. Cette protéine fait partie de la famille des protéines de choc thermique Hsp70 (Munro and Pelham, 1986). Elle contient en N-terminal un peptide d’adressage (SP), qui est clivé une fois que BIP en cours de synthèse est entrée dans le RE et en C-terminal, une séquence de rétention KDEL qui lui confère sa localisation dans le RE (Munro and Pelham, 1987).

En condition non optimale
En cas de carence nutritive, stress chimique ou d’élévation de la température, les protéines ont tendance à se replier de manière incorrecte dans le RE. Cet événement déclenche dans ce compartiment un mécanisme de réponse aux protéines mal repliées ou UPR (Unfolded Protein Response). La réponse aux protéines mal repliées se traduit par une diminution de la synthèse des protéines dans le RE et une dissociation de BIP qui était associée aux protéines IRE-1, PERK et ATF6 en condition basale (Bertolotti et al., 2000). ATF6 transite alors par la voie sécrétoire et est clivée dans le cis-Golgi. Le fragment N-terminal ATF6 résultant est un facteur de transcription au niveau du noyau qui s’associe avec ATF4 et XBP1. Il y a alors induction de la transcription des gènes codant pour les chaperons du RE telles que BIP/Grp78, GRP94, calréticuline, calnexine et les gènes codant pour des protéines catalysant le repliement comme les protéines disulfides isomérases PDI, ERP57 et ERP72 et activation du mécanisme de dégradation associé au réticulum endoplasmique ou ERAD (Tsai et al., 2002) et (Figure 1).

Les protéines chaperons interviennent au niveau de ce compartiment en interagissant avec les protéines mal repliées et continuent d’interagir avec ces protéines tant qu’une conformation native correcte n’est pas adoptée. Un mécanisme permet l’élimination des protéines mal repliées en condition basale ou en condition de stress où il est suractivé. Ce mécanisme est la dégradation associée au réticulum endoplasmique encore appelé ERAD.

Le mécanisme de dégradation associé au réticulum endoplasmique (ERAD) 

L’ERAD permet l’élimination des protéines mal repliées ou non assemblées du réticulum endoplasmique. Les premières études sur des protéines du réticulum endoplasmique pouvant être dégradées proviennent d’expériences réalisées en cellules de mammifères. Ces expériences ont démontré que des récepteurs aux cellules T étaient retenus dans le réticulum puis et pour la première fois que des protéines du RE pouvaient être dégradées (Bonifacino et al., 1989). Les protéines substrats de l’ERAD sont sélectionnées par un mécanisme de contrôle qualité dans la lumière du réticulum et sont ensuite dégradées par la voie ubiquitine-protéasome cytoplasmique. La plupart des protéines dégradées par le mécanisme de l’ERAD sont des protéines de la membrane du RE. L’ERAD nécessite un transport rétrograde ou translocation des protéines à dégrader du RE vers le cytosol. Ce transport rétrograde peut se faire par un pore protéique « translocon » et les protéines se retrouveront ainsi dans le cytoplasme où elles pourront être dégradées (Figure 2). D’autres études suggèrent que certaines protéines (les protéines de la chaîne lourde du CMH I) vont s’associer à des protéines de membrane du RE, telles que US11 (immunoévasine du cytomégalovirus humain) et Derlin-1 qui facilitent la sortie des protéines CMH I du RE vers le cytosol (Lilley and Ploegh, 2004).

Ces protéines sortent du RE par translocation, sont ubiquitinylées et dégradées par le protéasome 26S. (D’après (Meusser et al., 2005)) .

Cependant, l’ERAD est aussi impliqué dans des pathologies. En effet, dans les cas de mucoviscidose, une délétion de la phénylalanine 508 de la protéine CFTR (Cystic Fibrosis Conductance Regulator) entraîne une dégradation prématurée par le système de l’ERAD de la protéine CFTRΔF508 mutante, provenant d’un défaut d’intégration de cette protéine dans la membrane cellulaire par rapport à la protéine sauvage. L’ERAD a aussi des implications dans la maladie de Parkinson. En effet, Parkin a été décrite comme étant une des protéines impliquées dans le mécanisme de l’ERAD (Takahashi et al., 2003). Cette protéine permet par son association avec CHIP (carboxy terminus of Hsc70 interacting protein) la dégradation de substrat tel que Pael-R un récepteur de membrane. Dans les cas de maladie de Parkinson héréditaire, la protéine Parkin est mutée. La dégradation via l’ERAD de Pael-R n’est plus efficace. Cette protéine s’accumule donc et forme des agrégats qui induisent une toxicité au niveau des neurones dopaminergiques (Takahashi et al., 2003). De façon générale, L’ERAD est impliqué non seulement dans la dégradation des protéines mal repliées mais aussi dans la dégradation d’autres protéines des voies de biosynthèses. Le mécanisme de contrôle qualité au niveau du réticulum endoplasmique prend en charge les protéines mal repliées dans le RE et tente de les replier correctement ou les adressent aux voies de dégradation.

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Table des matières

Introduction
1. Le repliement des protéines
1.1 Importance du repliement
1.2 Les mécanismes de contrôle qualité
1.2.1 Contrôle qualité cytosolique
1.2.2 Contrôle qualité au niveau du réticulum endoplasmique
Le mécanisme de l’ERAD
1.2.3 Le Protéasome
Le protéasome 20S
Le protéasome 19S
1.2.4 Dégradation des protéines par la voie ubiquitine/protéasome
1.2.5 Les autres voies de dégradation
1.3 Les corps d’inclusion ou agrégats protéiques
2. Les maladies causées par une accumulation de protéines mal repliées
2.1 Défaillance du système de contrôle qualité
2.2 Les maladies causées par des protéines à expansion de polyQ
La maladie de Huntington
3. Objectif et stratégie de la thèse
Résultats
Publication 1
L’adressage de protéines à expansion de polyglutamine dans le réticulum endoplasmique et les mitochondries abolit leur agrégation.
Résultats complémentaires
Publication 2
Les sous unités chaperons du protéasome Rpt6 et Rpt4
contrôlent le mauvais repliement des protéines à expansion de polyglutamine.
Discussion
1. Influence de l’environnement cellulaire sur l’agrégation des protéines à expansion de polyQ
2. Les sous unités ATPase du protéasome 19S contrôlent le mauvais repliement des protéines à expansion de polyQ
Conclusion
Matériel et méthodes
Références Bibliographiques
Annexes

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