Synthèse totale de dimères SUMO-2/3

Les modifications post-traductionnelles 

Les dessous de la grande diversité des modifications post-traductionnelles

Au cours de l’évolution, les organismes vivants ont développé des mécanismes leur permettant de générer un protéome (ensemble des protéines exprimées dans une cellule) d’une diversité quasiment infinie à partir d’un nombre restreint de gènes. Chez l’Homme, il existe environ 26 500 gènes, ce qui est en de ça du nombre et de la grande diversité de son protéome. En effet, ce protéome semble être deux à trois plus complexe (supérieur à 1 000 000 protéines) que le nombre de protéines prédites par le génome. C’est seulement vingt ans après la détermination de la structure en double hélice de l’ADN que les scientifiques ont découvert que les gènes des organismes eucaryotes étaient « morcelés », c’est-à-dire constitués d’exons (partie codante, une dizaine en moyenne par gène) séparés par des introns (partie non codante). Ainsi, les exons et les introns sont transcrits à partir de l’ADN en un ARN (dit pré-messager, noté pré-ARN). Ensuite, certains introns et/ou exons sont éliminés, puis les les exons sont rassemblés pour former l’ARN messager final (ARNm). Ce mécanisme, nommé épissage, a lieu dans le noyau des cellules avant l’export des ARNm « épissés » dans le cytoplasme, où ils y seront finalement traduits en protéines par les ribosomes. L’épissage est donc une source de diversité des protéines produites (Figure 1). Cependant, il existe bien d’autres mécanismes permettant d’augmenter encore les combinatoires du protéome, notamment après la phase de traduction. On parle alors de modifications post-traductionnelles (MPT).

Même si elle existe chez les procaryotes, les MPT sont majoritairement rencontrées chez les eucaryotes. Environ 5% du génome est d’ailleurs dédié à la synthèse des enzymes réalisant ce type de modifications (pour revue voir ). Cette régulation post-traductionnelle du protéome est un mécanisme cellulaire à faible coût énergétique car il permet une adaptation rapide de la cellule eucaryote à des changements de son environnement sans requérir à de nouveaux gènes. Ces modifications covalentes peuvent modifier fortement les propriétés physico-chimiques de la protéine : il peut s’agir de clivages protéolytiques, d’ajout de groupements chimiques ou de polypeptides sur un ou plusieurs acides aminés. Loin d’être un simple changement d’architecture de la protéine, la présence de ces MPT peut impacter sur son activité biologique, sa localisation, sa stabilité, ainsi que ses capacités à intéragir avec d’autres partenaires. Ceci impacte directement la transduction du signal, la multiplication cellulaire, l’apoptose ou encore l’autophagie. A l’heure actuelle, la phosphorylation est la MPT la plus étudiée et beaucoup de ses rôles sont quasiment établis. Dans le cas de la signalisation cellulaire, les protéines kinases peuvent être activées ou inactivées par l’ajout de manière réversible de groupements phosphates. Cependant, il existe bien d’autres MPT telles que la méthylation, l’acétylation, l’ubiquitination, la SUMOylation, la O-GlcNAcylation, l’ADPribosylation, la nitration, l’ajout d’ancrage lipidique (myristoylation, prénylation, …), la formation sélective de ponts disulfure et la glycosylation . Parmi toutes les MPT répertoriées chez les eucaryotes supérieurs, une trentaine d’entre elles sont plus communément rencontrées .

Certaines de ces MPT sont susceptibles d’être retrouvées systématiquement sur une protéine ou d’y apparaitre de manière transitoire. Dans certains cas, la présence d’une MPT peut devenir un signal pour l’ajout d’une autre MPT. C’est l’exemple même de la phosphorylation qui précède bien souvent l’ubiquitination ou la SUMOylation. Cela signifie que les MPT peuvent être greffées de façon unique à la surface de la protéine cible, de façon concomitante sur des résidus différents ou être en competition pour la modification d’un résidu précis. Par conséquent, étudier les interactions entre les différentes MPT est essentiel pour comprendre leurs régulations et leurs fonctions au sein de la cellule. Il est établi que la dérégulation de certaines MPT est à l’origine de l’apparition ou de la progression de certaines pathologies d’où l’intérêt de mieux comprendre leur rôle au sein de la cellule. Etant donné leur grande diversité et de leurs combinaisons, les MPT sont semblables à des « codes-barres moléculaires » qu’on se doit de décrypter pour mieux comprendre les mécanismes du vivant et découvrir de nouveaux traitements thérapeutiques. Mon travail de thèse s’est attaché à l’étude d’une MPT spécificique, semblable à l’ubiquitination ou « Ubiquitin-like » c’est-à-dire la SUMOylation.

L’ubiquitine et sa découverte

L’ubiquitination est la première MPT peptidique ayant été décrite dans la littérature scientifique. Cette MPT consiste à l’ajout d’un polypeptide de 8,5 kDa, l’ubiquitine (Ub), sur une protéine cible. Initialement découverte par Goldstein et al. en 19757 , ce n’est qu’au début des années 1980 que les travaux d’Aaron Hershko, Avram Ciechanover et Irwin Rose ont permis la caractérisation de la cascade enzymatique permettant cette modification. Les études ayant menées à la découverte de l’ubiquitine visaient à étudier une voie de dégradation non lysosomale ATP dépendante sur un modèle de réticulocytes . Le fait que cette voie utilise de l’énergie pour dégrader les protéines était en soi intrigant, puisque la rupture d’une liaison peptidique classique est une réaction thermodynamiquement favorisée. Partant de ce postulat, cela suggérait que l’énergie utilisée devait servir à autre chose qu’à l’hydrolyse proprement dite des protéines. C’est donc en essayant de comprendre ce paradoxe qu’ils ont découvert l’ATP-dependent proteolysis factor 1 (APF-1), qui de par son caractère « ubiquitaire » (c’està-dire hautement conservé chez tous les eucaryotes) sera rapidement renommé ubiquitine. Ces découvreurs ont également mis en évidence une corrélation entre la polyubiquitination d’une protéine et sa dégradation protéasomale. L’ensemble de ces découvertes a été récompensé par un prix Nobel de Chimie en 2004. Toutefois, en plus de son rôle avéré dans le processus de dégradation des protéines, l’ubiquitine est également associée à d’autres mécanismes cellulaires tels que la réparation de l’ADN, la régulation des histones, l’activation de protéines kinases etc. Cela fait maintenant plus de 30 ans que l’ubiquitne fût découverte et demeure depuis une cible thérapeutique de première importance. L’ubiqutine (Ub) est une petite protéine de 76 acides aminés avec un poids moléculaire de 8,5 kDa. Elle est formée d’une hélice α et de quatre feuillets β (Figure 2). C’est une protéine globulaire très stable thermiquement.

L’ubiquitine est conservée et exprimée par toutes les cellules eucaryotes. Elle est codée par 4 gènes différents (Uba52, Rps27a, Ubb, Ubc), ce qui souligne son rôle central pour la cellule. Chez la souris et l’Homme, les gènes Uba52 et Rps27a codent des protéines de fusions entre l’Ub et des protéines ribosomales, et sont exprimés de façon constitutive au sein de la cellule. Les gènes Ubb et Ubc quant à eux codent la polyubiquitination souvent induite lors d’un stress cellulaire. Des recherches de biologie moléculaire ont récemment démontré l’importance de ces gènes puisqu’une délétion du gène Ubc est létale au niveau embryonnaire et celle du gène Ubb est responsable de l’infertilité pour le mâle et la femelle ainsi qu’une dégénérescence des cellules du système nerveux . Au sein de la cellule, l’ubiquitine est pésente sous plusieurs formes : libre ou conjuguée à des substrats nucléaires comme cytosoliques voires même membranaires. L’ubiquitination comprend plusieurs étapes enzymatiques successives permettant in fine le couplage de l’Ub sur la lysine cible (K) du substrat (Figure 3). Tout d’abord, l’ubiqutine est produite sous la forme d’un précurseur soit polyubiquitine, soit en fusion avec une protéine ribosomale, ainsi elle doit passer par une étape de maturation avant d’être prise en charge par la machinerie d’ubiquitination. Ensuite une enzyme d’activation E1 assure l’adénylation du résidu glycine en positon 76 de l’Ub en présence d’adénosine triphosphate (ATP) et d’un ion magnésium (Mg2+) pour former une liaison thioester. Puis l’Ub est transférée à une enzyme E2 en charge de sa  conjugaison sur le groupe ɛ-NH2 d’une lysine au sein de la protéine. L’enzyme E2 est fréquemment retrouvée en étroite association avec la protéine E3, qui contrôle la spécificité de ce mécanisme en reconnaissant le substrat cible pour conduire à la formation d’un lien isopeptidique. Dans la cellule eucaryote, il existe plusieurs enzymes E2 et la famille des ligases E3 ne cesse de s’agrandir au fur et à mesure des recherches réalisées sur l’ubiquitination .

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Table des matières

INTRODUCTION
I. Les modifications post-traductionnelles
A. Les dessous de la grande diversité des modifications post-traductionnelles
B. L’ubiquitine et sa découverte
C. Les modifications post-traductionnelles apparentées à l’ubiquitine
II. La SUMOylation
A. La découverte des protéines SUMO
B. Les différents homologues SUMO
1. La protéine SUMO-1
2. Les protéines SUMO-2 et SUMO-3
3. La protéine SUMO-4
C. La polySUMOylation
D. Le mécanisme enzymatique de la SUMOylation
1. La maturation des protéines SUMO
2. Etape d’activation par l’enzyme E1
3. Etape de conjugaison par l’enzyme E2
4. Etape de ligation par les enzymes E3 ligases
5. Les enzymes impliquées dans la déSUMOylation des protéines
6. Motifs régulateurs de la SUMOylation
E. Interactions entre la SUMOylation et les autres modifications post-traductionnelles
1. SUMOylation versus ubiquitination
2. SUMOylation versus phosphorylation
3. La SUMOylation versus l’acétylation
III. Rôle de la SUMOylation dans la physiologie cellulaire
A. SUMO et Cancer
1. Leucémie aigüe promyélocytaire
2. Cancer de la prostate
B. SUMO et le stress cellulaire
C. SUMO : expression et intégrité génomique
D. SUMO et l’inflammation
E. Bilan/Conclusion
IV. Objectifs généraux
V. Synthèse des protéines par voie chimique
A. Approches modernes de la synthèse chimique des protéines
1. La synthèse peptidique sur phase solide
2. Le principe de la ligation chimique
3. Assemblage de grands peptides et de protéines
4. Les procédés de synthèse « one pot » de N vers C
B. Méthodes pour la synthèse de grandes protéines
1. Aperçu statistique de la synthèse chimique de protéines
2. Fréquence des acides aminés protéinogéniques
3. Les réactions de déchalcogénation
C. Bilan/Conclusion
RÉSULTATS & DISCUSSIONS
CONCLUSION

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