Fiche 4 - Mécanismes de repliement, protéines chaperonnes PDF

Preview

Summary

Download Fiche 4 - Mécanismes de repliement, protéines chaperonnes PDF

Description

TUTORAT PASS 2020/2021 UNIVERSITÉ DE PARIS

UE2 : BIOCHIMIE FICHE 4 MECANISMES BIOCHIMIQUES DE REPLIEMENT Il s’agit d’une fiche rcapitulative non exhaustive des notions essentielles concernant vos cours. Cela ne remplace pas les supports qui vous sont donns en cours et vos notes se rapportant aux explications des professeurs. Il est absolument ncessaire d’avoir compris ces notions avant tout apprentissage «par cœur» qui se rvlerait absolument improductif. Le meilleur moyen de russir reste la comprhension, un apprentissage consciencieux des diapositives et un entranement rgulier (nous vous conseillons de vous rendre rgulirement aux examens blancs du tutorat)

ASSOCIATION POUR L'ACCÈS SANTÉ UNIVERSITÉ DE PARIS A2SUP Bureau T203 – 45 rue des Saints-Pères, 75006 Paris Bureau TP15 – 4 avenue de l’Observatoire, 75006 Paris https://www.a2sup.fr/

Cours 5 : Mécanismes biochimiques de repliement, protéines chaperon et dégradation des protéines SOMMAIRE : I. Repliement des protéines II. Dénaturation des protéines par un élément stressant a) Mécanisme du système DnaK b) Mécanisme du système GroES/L c) Couplage chaperons – dégradation des protéines

III. Rôle de HSP70 dans le masquage des mutations IV. Rôle délétère des protéines Hsp dans certains cas : exemple de HSP70

2

I)

Repliement des protéines

Le repliement des protéines est un processus physique où la protéine acquiert une conformation native d’une protéine correspondant à sa structure tridimensionnelle et lui confère sa fonction biologique. Cette conformation est dictée par la séquence primaire de la protéine. Ainsi des mutations, notamment les faux sens, peuvent entraîner une modification de la conformation et donc de la fonction de la protéine. Le repliement de la protéine se fait via des liaisons fortes et des liaisons faibles et doit être favorable énergétiquement : ● La protéine dénaturée n’a pas de conformation fixe ce qui ne se traduit pas une augmentation de l’énergie libre. ● Le repliement “expulse” les molécules d’eau entourant la protéine ce qui entraîne une perte d’énergie libre ● La diminution des charges totales ou partielles à la surface de la protéine est favorable au repliement des protéines. Avec ses trois phénomènes, il y a une légère perte d'énergie libre favorisant le repliement des protéines. Elle permet aussi à la protéine acquérir des conformations différentes, il existe toujours une certaine flexibilité. La structure native correspond à l’état énergétique le plus stable : les acides aminés hydrophobes sont orientés « vers l’intérieur » pour former un cœur hydrophobe et les acides aminés hydrophiles sont orientés vers le cytosol. Ce n’est pas un processus lié au hasard. Le repliement des protéines passe par de nombreux intermédiaires, certains peuvent être relativement stables. Cependant, la protéine n’est pas totalement repliée et expose toujours des régions hydrophobes. Ces intermédiaires peuvent être à l’origine de la formation d’agrégats très toxiques pour les cellules. Le repliement concerne les protéines dénaturées (mal repliées) mais aussi les protéines naissantes. Il existe aussi différents modèles de repliements qui ont évolué depuis les années 70. On peut citer le modèle du repliement séquentiel et hiérarchique, le modèle diffusion-collision, le modèle de l’effondrement hydrophobe, le modèle nucléationcondensation, le modèle Jigsaw Puzzle ou encore le modèle unifié de repliement.

3

II)

Dénaturation des protéines par un élément stressant

Le stress (températures extrêmes, pH extrêmes, concentration en oxygène faible, détergents, mutation notamment somatique...) peut entraîner une dénaturation de la protéine. Cela correspond à une modification réversible ou irréversible de la conformation native (tertiaire) sans rupture des liaisons covalentes à l’exception des ponts disulfures et sans modification de la structure primaire. Les mécanismes d’aide au repliement des protéines peuvent être divers. Il y a le mécanisme enzymatique dans la lumière du RE et le mécanisme protéique impliquant des protéines chaperonnes qui peuvent aider au repliement de certains protéines. On retrouve aussi le mécanisme de régulation de la vitesse de repliement avec une activité de type catalyseur. Le repliement (et donc la « renaturation ») des protéines est aidé par des enzymes du réticulum endoplasmique (PDI et PPI) et des protéines chaperons. Enzymes du RE : ● PDI (Protein Disulfide Isomerase) : catalyse la formation des ponts disulfures intramoléculaires.

● PPI (Peptidyl-Prolyl Isomerase) : conversion des liaisons peptidiques X-Pro où X est un acide aminé quelconque trans en cis. Ceci joue un rôle important dans la formation des coudes.

4

Protéines chaperons : Leur rôle est d’empêcher les chaînes mal repliées de s’agréger et de leur donner une nouvelle chance de progresser vers la conformation native de la protéine. Les chaperons impliqués dans la réponse cellulaire au stress appartiennent à la très grande famille des protéines de choc thermique (Hsp pour Heat Shock Proteins). Il existe différentes manières de les classer :  En fonction de leur expression, soit constitutive (Hsc70), soit constitutive ET induite (Hsp90, Hsp40…), soit induite par un stress (Hsp70).  En fonction de leur masse moléculaire par exemple Hsp40 a une masse moléculaire de 40 kDa.  En fonction de leur localisation sub-cellulaire, par exemple, Hsp70 est présent au sein du cytosol, de la mitochondrie et du réticulum endoplasmique. Il existe deux principaux systèmes de protéines chaperons qui sont complémentaires :  

Le système DnaK (ou Hsp70) également nommé holdases prévient l’agrégation des protéines mal repliées en le “tenant”. Il nécessite de l’ATP. Le système GroES/L aussi appelé foldases ou chaperonines permet le repliement des protéines. Il nécessite également de l’ATP.

Ainsi, le repliement des protéines est très consommateur d’énergie pour la cellule. C’est pour cela que si le repliement ne fonctionne pas, la protéine mal repliée sera dégradée afin de limiter la consommation d’ATP et si la dégradation de la protéine ne fonctionne pas, la cellule va induire son apoptose. Les gènes codant pour les Hsp (gènes de stress) présentent un promoteur contenant des HSE (au moins 3 Heat Shock Elements) liant des HSF (Heat Shock Factors) au niveau de motifs spécifiques (nGAAn). En temps normal, Hsp70 est présent en faible quantité dans le cytoplasme et inactive par liaison les HSF.

En cas de stress, il y a dénaturation des protéines, Hsp70 et HSF se dissocient : Hsp70 va se lier aux protéines dénaturées pour prévenir leur agrégation tandis que HSF va être transloqué dans le noyau, se fixer aux HSE et activer la synthèse de protéines chaperons.

Une fois le repliement effectué, Hsp70 récupère HSF dans le noyau et ils retournent dans le cytoplasme à leur état basal

5

a) Mécanisme du système DnaK Le système DnaK est constitué de trois protéines : DnaK (Hsp70) liant les protéines dénaturées et l’ATP, DnaJ (Hsp40) qui hydrolyse l’ATP lié à Hsp70 et qui fixe aussi les protéines dénaturées et enfin GrpE qui est un facteur d'échange de nucléotides régénérant le complexe DnaK-ATP.

-

DnaJ (Hsp40) lie la protéine dénaturée DnaK (Hsp70) liant de l’ATP n’a aucune affinité pour les protéines dénaturées DnaJ hydrolyse l’ATP lié à DnaK DnaK lié à l’ADP a une forte affinité pour les protéines dénaturées Formation d’un complexe DnaJ-DnaK-protéine dénaturée, il évite la formation des agrégats en évitant les interactions avec d’autres protéines NEF (GrpE) échange l’ADP par de l’ATP ce qui entraîne la dissociation du complexe.

Ce cycle est un système intermédiaire empêchant l’interaction et donc l’agrégation (qui est souvent toxique) de protéines mal repliées. Par la suite, la protéine dénaturée peut soit refaire un cycle, soit être prise en charge par le système de repliement GroES/L, soit être dégradée ou encore s’agréger

6

b) Mécanisme du système GroES/L Une fois la protéine libérée par le système DnaK, elle peut être prise en charge par GroES/L ayant comme objectif de replier correctement la protéine endommagée. Le système est aussi dépendant de l’ATP. GroEL : tonneau (GroEL comme barre L tonneau) homo-heptamérique formé de couronnes séparées par une plaq équatoriale. On définit 3 régions à GroEL. L première est la région apicale qui a de ux fonctions ; l’interaction avec GroES et le protéines endommagées qui entrent via de interactions avec ses acides aminés. Ens ui il y a la région intermédiaire et enfin la régio équatoriale liant les molécules d’ATP. ou GroES : anneau unique formé de 7 s unités, fermant l’une des deux extrémités GroEL.





-

Au départ, GroEL est lié à l’ATP et ses parois intérieures sont hydrophobes ; La protéine dénaturée entre dans GroES avec plus ou moins de facilité (car dénaturée = pas de cœur hydrophobe = exposition de ses AA hydrophobes vers le cytosol) ; GroES enferme alors la protéine dénaturée dans GroEL, c’est un effet cage ; Hydrolyse de l’ATP ; Exposition d’AA hydrophiles sur les parois intérieures de GroEL ; Ne pouvant pas « s’échapper » et afin de garder un état énergétique stable, la protéine est obligée de se replier correctement ; GroES se sépare de GroEL permettant la libération de la protéine. GroES va se fixer sur le second anneau de GroEL où il y a une nouvelle protéine endommagée.

Ce système est très consommateur d’ATP. Il a pour but de replier une protéine dénaturée mais peut parfois ne pas fonctionner ; si la protéine libérée est toujours dénaturée, elle peut refaire un cycle dans ce système ou bien être destinée à la dégradation.

7

Voici aussi le système TRiC/CCT-Prefoldine chez les eucaryotes et son schéma :

c) Couplage chaperons – dégradation des protéines Les mécanismes de repliement étant consommateurs d’énergie, il est parfois préférable pour la cellule de dégrader la protéine dénaturée. Il faut savoir que 30 à 40 % des protéines seront sujettes à un stress (donc à une mauvaise conformation). Cela peut être le cas de protéines naissantes, dans la production ou pendant la vie de polymères (à causes de protéines régulatrices). Ces protéines sont d’abord présentes dans le RE (lieu de repliement et non de dégradation) puis dans le protéasome (qui correspond au compartiment de la protéolyse) et enfin les lysosomes (chez les eucaryotes seulement). Parfois, un échec du repliement est constaté. Les raisons sont diverses. Cela peut être dû à une arrivée massive de chaînes polypeptidiques variées, un stress du RE, des mutations dans la séquence peptide signal d’une protéine, un dysfonctionnement de la machinerie de translocation avec une accumulation de protéines mal localisées ce qui conduit à une formation d’agrégats ou encore des mutations somatiques ou germinales.

8

La protéine peut être poly-ubiquitinylée ce qui est un signal d’adressage au protéasome 26S qui va la dégrader. Sous l’action de carboxy- et aminopeptidases, la protéine est dégradée en acides aminés.

La protéine BAG-6 (Bcl2 associated) joue un rôle dans la reconnaissance des protéines mal repliées.

1- Le complexe hétérotrimérique BAG6 (BAG6, TRC35, UBL4A) fixant les protéines exposant des résidus hydrophobes et interagissant avec les chaperones Hsp 70/90 2- Ubiquitination par E3 ligase RNF126 3- Adressage au protéasome 26S; Interaction avec la sous-unité RPN13 du protéasome 19S

Ci-dessus, vous avez une représentation schématique du couplage chaperons-protéasome dans le réticulum endoplasmique.

9

Par la suite, le système ERAD-L (pour luminal, à l’intérieur de RE) ou ERAD -M (pour membranaire, à l’intérieur). Cela commence par une reconnaissance des protéines mal repliées par des lectines capables de se lier à un oligosaccharide dé-mannosité (OS-9, ostéosarcome amplified 9 et XTP3-B) au sein d’un complexe lié à la membrane du RE (dislocons, rétro-translocons)

Représentation schématique des étapes de la dégradation ERAD Voilà la dégradation ERAD, Hrd1 (BiP, OS9, XTP-3, SEL1L, DERLIN1 liant HERP1, AUP1 recrutant E2 UBE2G2 , HRD1 (ou gp78, E3 ubiquitine ligase)) pour ubiquitination.

• Formation d’un complexe de dislocation (UBXD8, p97, UBXD2, UFD1, NML4, DUBS, YOD1) • Rétrotranslocation dans le cytoplasme par liaison de la protéine à p97 (mammifères)/Cdc48 recruté à la membrane par UbxD8 • Hydrolyse de l’ATP et libération de la protéine de la membrane

• Elongation de la chaîne d’ubiquitine par UBE4A/B avec Rad23A et une ubiquitine spécifique UNIQUILIN (UBQLN2) • Elagage des Ub par déubiquitinase DUDS • Interaction entre Rab23A et UNIQUILIN avec la sous-unité du protéasome 19S (PA700) • Elimination des derniers Ub par RPN11/ubp6 et dégradation de la protéine par le protéasome 26S nécessitant l’activité de 6 AAA-ATPases.

10

Pour pouvoir être dégradée dans le protéasome, une protéine doit être au préalable ubiquitinylation de la protéine. Étapes de l'ubiquitinylation de la protéine sont les suivantes : 1- Activation de Ub par E1-ubiquitinactivating enzyme (2 chez l’homme) en présence d’ATP (liaison thiol-ester avec le groupe carboxyl Cterminal de Ub 2- Transfert de Ub sur E2 ubiquitinconjugating enzyme (35 chez l’homme) 3- Reconnaissance de la protéine mal repliée par E3 ubiquitine ligase (600 chez l’homme) et complexe avec E2 pour transférer Ub sur la protéine cible 3- Cycle possible d’ubiquitination (chaînes polyubiquitine avec un seul ou différentes lysine modifiées)- Un facteur d’élongation E4 facilite l’élongation nécessaire au recrutement de facteurs assurant le transfert au protéasome

III) Rôle de Hsp90 dans le masquage des mutations Chez la drosophile, une mutation censée changer la conformation de la protéine peut être masquée par un dimère de Hsp90 rendant la mutation silencieuse (pas d’impact sur la conformation). Une mutation de la séquence primaire d’une protéine n’a donc pas systématiquement un effet délétère.

La geldanamycine inhibe Hsp90 et entraîne le dévoilement des mutations jusqu’ici silencieuses. Il y a donc un changement du phénotype des drosophiles

11

IV) Rôle délétère des protéines Hsp dans certains cas : exemple de Hsp70 Constitutivement, Hsp70 est exprimé à bas niveau. Les cellules cancéreuses accumulent des mutations et donc des protéines mal conformées ce qui stimule la production de Hsp70 (stress cellulaire). Les effets de Hsp70 favorisent la survie, la formation de métastases et l’agressivité des cellules cancéreuses. Hsp70 est souvent retrouvé en abondance dans de nombreuses tumeurs.

Hsp70 inhibe l’apoptose par différents mécanismes (récepteurs, voies de signalisation, protéines mitochondriales et régulateurs de l’apoptose). Hsp70 est aussi un inhibiteur de la sénescence des cellules, il est capable de stabiliser les membranes des lysosomes. Les cellules tumorales surexprimant Hsp70, ce dernier se retrouve à la membrane plasmique des cellules. Elles peuvent également produire des exosomes impliquées dans la formation des métastases. Hsp70 active TLR2 qui est un répresseur de l’immunité ainsi les cellules immunitaires ne sont plus capables de reconnaître les cellules tumorales. Une approche thérapeutique actuelle est le développement d’inhibiteurs des Hsp . Ces anticancéreux peuvent inhiber la fixation de l’ATP, la fixation de la protéine dénaturée, ou, pour l’exemple d’Hsp70, bloquer son mécanisme d’activation des cellules immunosuppressives en fixant à des acides aminés TDK. Il existe également des inhibiteurs de Hsp90 utilisés comme anti-cancéreux. Ils peuvent être utilisés avec des siRNA visant Hsp70.

12

● Conclusion : Il existe de nombreux systèmes permettant de replier les protéines mal conformées (naissantes ou dénaturées) et de prévenir leur agrégation. Dans ce cours, deux systèmes essentiels ont été abordés :  

Le système DnaK comprenant Hsp70, Hsp40 et GrpE, évitant l’agrégation des protéines dénaturées. C’est le système des holdases. Le système GroES/L permettant le repliement des protéines dénaturées. C’est le système des foldases.

De nombreuses maladies existent, dues à l’agrégation de protéines dénaturées ayant échappé à ces systèmes (maladies des prions, amyloses, etc.).

13

Les P1dispensables : Rappel : cet encadré reprend les points à maîtriser absolument mais ne constitue en rien une liste exhaustive des attendus de l’examen !

Avant tout apprentissage, il faut comprendre : -

A quoi correspond la conformation native d’une protéine, et pourquoi elle est énergétiquement favorable L’importance du bon repliement de la protéine pour la fonction de celle-ci Quels types de liaisons permettent le repliement des protéines Que tout changement de propriétés physico-chimiques du milieu (température, pH) peut entrainer une dénaturation des protéines, notamment par rupture des liaisons faibles L’utilité des systèmes de repliement pour les protéines naissantes et dénaturées Que le système de chaperons aide à la survie de la cellule, mais peut parfois être délétère (exemple des cancers)

Il faut ensuite connaitre : -

Le fonctionnement des systèmes de repliement (voir schémas et encadrés) La structure et le rôle de chaque protéine/complexe Les processus de dégradation des protéines (ERAD et ubiquitination)

14

Questions de cours : Voici quelques questions pour vous permettre de tester vos connaissances et votre compréhension du cours. Vous trouverez les réponses dans cette fiche.

● A quoi correspond la conformation native de la protéine ? Pourquoi est-elle favorisée ? ● Quelles sont les deux familles de protéines participant au repliement des protéines ? Quelles sont leurs fonctions ? ● Comment fonctionne le système DnaK ? ● Comment fonctionne le système GroES/L ? Le système TRiC/CCT ? ● Quelles sont les protéines intervenant dans le couplage protéines chaperons protéasome ? ● Quelle est le rôle de Hsp70 dans les cancers ?

15

Cette fiche a été réalisée puis mise à jour par : Marguerite COUTURIER (DFGSM2) ; Lison GUYON (DFGSM2, Rédactrice en chef des fiches) ; Adèle SICHTERMANN (DFGSM2) Barbara BLANCHARD (RM de SMK 2019-2020, DFGSM3) Marion SHARPIN (RMGT de biochimie 2018-2019), Henri POPARD (RMGT de SMK 2018-2019) Un grand merci aux VP Tutorat PASS : Armelle Godet (DFGSM2) et Alexandre Grange (DFGSM2). Et enfin un immense merci aux tuteurs et tutrices de la team Tutornithorynque Ce support a été rédigé en collaboration avec l'équipe pédagogique de l'université, les illustrations sont issues du cours du Pr Bienvenu Sous la coordination de Enzo BOSETTA (RM 2020-2021, DFGSM2) et Ariane MERLAND (RM 2020-2021, DFGSM2)

L’A2SUP répond à toutes tes questions sur le forum : http://forum.A2SUP.fr/

forum

L’A2SUP est connectée ! Pour ne rater aucune info :

A2SUP

A2SUP

@A2SUP

@A2SUP

16...