L’excision de la méthionine N-terminale et le métabolisme de la méthionine Le métabolisme de la méthionine joue un rôle dans beaucoup d’aspects de la

physiologie cellulaire. Un des métabolites de la méthionine, le S-adénosyl-méthionine est le donneur universel de groupements méthyles dans la cellule. De plus, grâce à sa capacité à être oxydée, il a été suggéré que la méthionine libre puisse agir comme un antioxydant contre les radicaux libres et ainsi protéger la cellule du stress oxydatif [209]. Le métabolisme des acides aminés soufrés tels que la méthionine a été également lié à la progression du cycle cellulaire ainsi qu’à des dysfonctionnements cellulaires [210, 211].

Les plantes, bactéries et champignons peuvent assimiler le soufre inorganique comme sulfate et le réduire en sulfite conduisant à la synthèse des acides aminés soufrés [212, 213, 214, 215]. En revanche, les animaux n’ont pas cette capacité et obtiennent le soufre réduit par l’alimentation. Le métabolisme de la méthionine et le système antioxydant sont étroitement liés par la cystéine, autre acide aminé soufré précurseur du glutathion. Chez les animaux, la méthionine est utilisée entre autre pour produire de la cystéine grâce à la voie de reverse transulfuration. Par contre, les plantes utilisent la voie de transulfuration pour synthétiser de la méthionine à partir de la cystéine (Fig. 11).

La NME clive la méthionine initiatrice des protéines en cours de synthèse. Ainsi, les deux produits de la réaction sont d’une part la chaîne polypeptidique dépourvue de sa méthionine initiatrice et d’autre part une méthionine libre. Cette méthionine ainsi relâchée peut donc être recyclée dans la cellule au niveau du métabolisme des acides aminés soufrés ou incorporée dans une protéine. Ce recyclage de la méthionine est important pour la cellule car la méthionine est un acide aminé coûteux à produire.

Au début des années 2000 il a été établi chez la levure que la METAP1 est l’isoforme dominante pour la croissance cellulaire et que la METAP2 semble être largement redondante en terme de fonction [216]. En effet, la surexpression de la METAP2 permet de complémenter le défaut de la METAP1 [216, 52]. Cependant, cette complémentation du phénotype du mutant de la METAP1 est abolie par l’ajout de méthionine dans le milieu de

culture des levures. Chez les champignons, la méthionine est un médiateur de l’expression génique en réprimant spécifiquement les gènes impliqués dans l’assimilation du soufre et la biosynthèse de la méthionine (gènes MET) [214]. Il a été montré que l’inhibition de la croissance est indépendante de la capacité de la méthionine a réprimer les gènes MET et ne résulte pas non plus de l’inhibition de la synthèse d’autres métabolites, mais cela résulte de l’inhibition de la METAP2 [80] (Fig. 11).

En effet, la concentration en méthionine dans le cytosol de la levure (0,1 – 1 mM [217]) est proche de la constante de liaison pour la METAP2 [80], ce qui explique le rôle mineur de la METAP2 chez la levure. L’inhibition par la méthionine est très spécifique des METAP2s et est très conservée de la levure à l’Homme. En comparaison, dans les cellules endothéliales, la concentration de méthionine libre varie entre 5 et 30 µM. Chez les plantes, la valeur est proche de 15 µM [218] et elle est connue pour être étroitement contrôlée [219]. Cette concentration réduite en méthionine dans ces types cellulaires peut donc permettre à la METAP2 d’avoir un rôle plus étendu. Il a donc été suggéré que l’activité METAP2 est inhibée dans la levure quand la concentration en méthionine libre n’est pas limitante tandis que ce n’est pas le cas pour la METAP2 animal [80]. Il est donc possible que lorsque la concentration en méthionine cellulaire est limitante chez la levure, l’activité METAP2 augmente et ainsi la méthionine initiatrice sera retirée des substrats moins efficacement clivés permettant à la levure de retrouver un niveau de méthionine libre adéquat. Il s’agit de la première démonstration d’un lien fort entre la NME et le métabolisme de la méthionine [80] (Fig. 11). Une telle interaction a aussi été suggérée entre les METAPs et la méthionine chez A. thaliana [82]. En effet, la L-méthionine induit un retard du développement de la plante et le mutant nul pour la METAP1A est plus affecté que la lignée sauvage [82].

Les données obtenues sur la levure et chez A. thaliana suggèrent clairement que NME et métabolisme de la méthionine sont étroitement liés et probablement à différents niveaux. En effet, la faible concentration en méthionine libre cellulaire peut expliquer que la METAP2 joue en rôle plus important chez les eucaryotes supérieurs y compris les plantes mais ne peut pas expliquer seule la plus grande sensibilité de certaines lignées cellulaires de mammifères à la fumagilline. De plus, nous en savons encore trop peu sur la METAP1 dans ces systèmes pour avoir une idée plus précise de la fonction de la NME. Une diminution de l’activité globale METAP ou une augmentation de la demande en NME dans certains tissus peut être à la base de telles observations. On peut concevoir que le blocage de l’activité de la METAP2

conduise à la rétention de la méthionine initiatrice d’un nombre limité de protéines. Par exemple, les protéines commençant par Met-Val seront probablement parmi les plus affectées car elles sont connues pour être clivées de manière peu efficace par les deux types de METAPs. Cela conduit inévitablement à la production de protéines ayant anormalement maintenue leur méthionine initiatrice. L’altération de ces protéines du fait du maintien de la première méthionine (e.g. activité, stabilité, localisation etc) peut être à la base du défaut de développement associé à l’inhibition de la NME.

Biosynthèse du glutathion Cystéine Cystathionine Homocystéine Méthionine CGL CGS CBL MS CBS CH3 Voie de reverse transulfuration Voie de transulfuration (plantes, bactéries, champignons) (animaux) Met-polypeptide ^METAP2 Polypeptide

Figure 11 - Interaction entre METAP2 et métabolisme de la méthionine

La voie de transulfuration et celle inverse sont montrées. La voie de transulfuration permet la formation d’homocystéine à partir de la cystéine. Cette voie a lieu chez les plantes, bactéries et champignons. Les animaux n’ont pas cette voie et produisent de la cystéine à travers la voie de reverse transulfuration. La cystéine est le précurseur limitant de la voie de biosynthèse du glutathion. La boucle de régulation entre méthionine et METAP2 est montrée. Un excès de méthionine libre inhibe l’activité METAP2. Lorsque la concentration en méthionine libre cellulaire diminue, la METAP2 n’est plus inhibée et clive la méthionine de ses substrats permettant d’élever la concentration en méthionine libre cellulaire. CGS, CBL, MS, CGL et CBS se réfèrent à cystathionine synthase, cystathionine β-lyase, méthionine synthase, cystathionine γ-lyase et cystathionine β-synthase respectivement.

4. L’excision de la méthionine N-terminale et dégradation protéique

La dégradation des protéines ou protéolyse est un processus étudié depuis plus de 50 ans et aujourd’hui de nombreuses protéases ont été caractérisées. La protéolyse est désormais

reconnue comme un mécanisme majeur de la cellule, finement régulé et lui-même régulateur de nombreux processus cellulaires essentiels. Les premières voies de dégradation étudiées ont été celles impliquant le lysosome, un compartiment cellulaire contenant de nombreuses hydrolases. Néanmoins, il a rapidement été mis en évidence différents paradoxes suggérant que des protéines puissent être dégradées par une voie indépendante du lysosome notamment en utilisant des réticulocytes de lapin (dépourvus de lysosomes). Le protéasome 26S est un exemple très bien décrit de protéases ayant un rôle de régulation ainsi que le système ubiquitine permettant le ciblage précis de certaines protéines vers la dégradation (revue dans [9]). Différents types de protéases ont été caractérisées et elles sont classées en fonction du nucléophile servant pour l’hydrolyse de la liaison peptidique. Ainsi, il existe des protéases à cystéine telles que les caspases par exemple. D’autres protéases utilisent la sérine ou encore la thréonine faisant donc parties des protéases à sérine et thréonine respectivement. Certaines protéases utilisent une molécule d’eau en guise de nucléophile, c’est le cas des protéases à acide glutamique, acide aspartique ainsi que les metallo-protéases (Fig. 12).

Figure 12 - Mécanisme catalytique des quatres classes majeures de protéases.

Le clivage de la liaison peptidique est montré pour différentes classes de protéases. Le nucléophile utilisé définit le nom de la classe de la protéase. Le nucléophile est indiqué en rouge et en gras tandis que l’activateur est noté en rouge uniquement (Me2+ signifie cation métallique divalent). Quelques exemples sont notés à droite. La protéine substrat est reconnue au niveau des différentes poches de liaison notamment S1 et S1’. Le trou oxyanion (vert) stabilisateur polarise le groupement carbonyle adjacent à la liaison scissile. Cette polarisation rend ce groupement particulièrement sensible une attaque nucléophile. R correspond à la chaîne lattérale de l’acide aminé et la protéase est en bleue.

Liaison scissile O C ^CH R CH R δ-δ+ Attaque nucléophile Cys-His Ser-His H₂O-Me2+ H₂O-Asp Trou oxyanion S1 _S1’

Protéases à cystéines Caspase Protéases à sérines Lon; Deg; ClpP Metallo-protéases METAP, PDF, FtsH Protéases à acide aspartique Pepsine

NH

Une protéine peut être dégradée car elle n’assure plus sa fonction correctement ou à cause d’un mauvais repliement de sa chaîne peptidique. D’autres protéines sont dégradées pour en recycler les acides aminés. Cependant, la protéolyse de beaucoup de protéines est déclenchée par différents stimuli développementaux et environnementaux pour contrôler l’abondance de régulateurs cellulaires cruciaux. Dans ces situations, le mécanisme de protéolyse doit être très spécifique et finement contrôlé. La dégradation d’une mauvaise

O C ^CH R CH R CH R CH R δ-δ+ Attaque nucléophile Cys-His Cys-His Ser-His Ser-His H₂O-Me2+ H₂O-Me2+ H₂O-Asp H₂O-Asp Trou oxyanion S1 _S1’

Protéases à cystéines Caspase Protéases à cystéines Caspase Protéases à sérines Lon; Deg; ClpP Protéases à sérines Lon; Deg; ClpP Metallo-protéases METAP, PDF, FtsH Metallo-protéases METAP, PDF, FtsH Protéases à acide aspartique Pepsine

Protéases à acide aspartique Pepsine

NH

protéine ou à un mauvais moment peut être catastrophique pour l’organisme. Un des meilleurs exemples est le cas des produits de proto-oncogènes qui sont régulés par la protéolyse, de nombreux cancers se développent lorsque la protéolyse de ces régulateurs est abolie ou dérégulée [220, 221, 222, 223].