2.2.1 Rôle de l’ubiquiline 2 dans le Système Ubiquitine-Protéasome (SUP)
Le Système Ubiquitine-Protéasome (SUP) assure la dégradation d’environ 80% des
protéines intracellulaires (Pickart, 2001) ; ce qui en fait la principale voie de dégradation protéique. Elle est destinée aux protéines nucléaires et cytoplasmiques à durée de vie courte, détériorées ou mal repliées (Hershko et Ciechanover, 1998 ; Kleiger et Mayor, 2014). Le protéasome est impliqué dans une variété de fonctions cellulaires, tels que le contrôle de qualité du protéome, la réponse au stress ou la régulation du cycle cellulaire. Ce processus de dégradation se déroule en deux temps (figure 11) ; les protéines sont d’abord marquées par une chaine d’ubiquitines, servant de signal de dégradation, puis une fois amenées au protéasome, celui-ci dégrade les protéines en petits peptides grâce à des sites actifs peptidasiques localisés dans le cœur catalytique du protéasome (Finley, 2009). Le protéasome est impliqué dans des protéinopathies caractérisées par la présence anormale d’agrégats de protéines ubiquitinylées dans les cellules. C’est notamment le cas dans certaines maladies neurodégénératives telles que la SLA et les maladies d’Alzheimer et de Parkinson (Zabel et al., 2010 ; Tanaka et al., 2014).
Figure 11 : Représentation schématique de la prise en charge et de la dégradation des protéines mal repliées par le Système Ubiquitine-Protéasome (SUP).
Les protéines mal repliées peuvent être soit des protéines natives qui ont été dénaturées ou détériorées, soit des protéines nouvellement synthétisées pour lesquelles le repliement ne s’est pas fait correctement. En se liant aux domaines hydrophobes, les protéines chaperonnes Hsp70 et Hsp40 favorisent le repliement des nouvelles protéines synthétisées mais peuvent également faciliter la reconnaissance de protéines anormales (mal repliées), conduisant à la fixation d’une chaine d’ubiquitines. Cette ubiquitinylation se fait grâce à un mécanisme séquentiel enzymatique qui nécessite trois enzymes (E1, E2 et E3 ou Chip). Tout d'abord, l'enzyme E1 active le résidu glycine C-terminal d'une ubiquitine de manière dépendante de l'ATP. L'ubiquitine activée est ensuite transférée vers le site actif d'une enzyme de conjugaison de l’ubiquitine (E2). Enfin, une ligase d’ubiquitine (E3
Ub Ub
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ou Chip) lie l'ubiquitine de l'enzyme E2 à un résidu lysine de la protéine mal repliée. En suivant cette cascade enzymatique, d’autres ubiquitines s’ajoutent les unes après les autres à la suite de la première ubiquitine (au niveau d’un résidu lysine de l’ubiquitine) formant ainsi une chaîne d'ubiquitines. Une chaîne d'au moins quatre ubiquitines liées à la lysine 48 est le principal signal de dégradation. La protéine mal repliée polyubiquitinylée est alors reconnue par la sous-unité régulatrice (19S) du protéasome 26S qui élimine la chaine d’ubiquitines et déplie la protéine. Celle-ci est transférée dans le coeur catalytique (20S) du protéasome, contenant les sites actifs protéolytiques, puis clivée en petits peptides (d’après Goldberg, 2003 ; Finley et al., 2009).
La voie de Dégradation des protéines Associées au Réticulum Endoplasmique (DARE) fait notamment intervenir les protéines du SUP. Le rôle de la voie DARE est d’assurer un contrôle qualité des protéines du Réticulum Endoplasmique (RE), vital pour maintenir l’homéostasie du RE et par conséquent pour la survie cellulaire. Ce système est activé en condition de stress du RE afin d’éliminer les protéines mal repliées qui s’accumulent dans le RE et de ne garder que les protéines correctement repliées. Parmi les différentes protéines intervenant dans cette voie, la protéine membranaire du RE, nommée Ubxd8 (Ubiquitin regulatory X domain-containing protein 8) se lie à des protéines du RE mal repliées destinées à être dégradées par le protéasome (Zhang et al., 2014).
L’ubiquiline 2 intervient dans la dégradation des protéines mal repliées via le SUP (figure
13 : B). Son rôle est de recruter les protéines poly-ubiquitinylées, grâce à son domaine UBA qui se
lie aux chaines d’ubiquitines, et de les amener au protéasome en se liant à la sous-unité S5a des complexes régulateurs 19S du protéasome, grâce à son domaine UBL. Ainsi, l’ubiquiline 2 joue un rôle important dans la dégradation des protéines via le SUP en dirigeant les protéines poly-ubiquitinylées du cytosol vers le protéasome (Walters et al., 2002).
L’ubiquiline 2 est également impliquée dans la voie DARE où elle interagit avec l’Ubxd8 dans le but de transloquer les protéines ubiquitinylées du RE, vers le cytosol afin de les amener jusqu’au protéasome (figure 13 : B) (Xia et al., 2014). De plus, l’ubiquiline 2 interagit avec une autre protéine membranaire du RE, surexprimée en condition de stress du RE, la protéine Herp (Homocysteine-induced endoplasmic reticulum protein) (Kim et al., 2008). L’ubiquiline 2 joue donc un rôle dans la protection des cellules contre le stress du RE en intéragissant avec des protéines de la voie DARE, afin d’amener les protéines mal repliées du RE au protéasome pour être dégradées.
2.2.2 Rôle de l’ubiquiline 2 dans l’autophagie
L’autophagie est un processus de dégradation et de recyclage de diverses macromolécules et organites cellulaires. En prenant en charge les protéines à durée de vie longue, elle intervient de manière complémentaire à la voie du protéasome, qui lui assure la dégradation des protéines à durée de vie courte. La voie autophagique joue un rôle important dans l’homéostasie des
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cellules. Elle est également impliquée dans diverses réponses biologiques comme le développement, le stress cellulaire, l’inflammation, la survie cellulaire et le vieillissement. Jusqu’à présent, trois types d’autophagies ont été décrits :
-La micro-autophagie. Elle participe au renouvellement perpétuel des composants cellulaires dans des conditions cellulaires normales (Ahlberg et Glaumann, 1985). Cette voie implique l’invagination de la membrane lysosomale dans le but de séquestrer et dégrader des constituants cytoplasmiques de petite taille par les hydrolases lysosomales (figure 12) (De Duve et Wattiaux, 1966). Cette voie est également impliquée dans la dégradation sélective des organites qui ne sont plus nécessaires pour la cellule (Farré et Subramani, 2004).
-L’Autophagie Médiée par les protéines Chaperonnes (AMC). Elle est présente dans tous les tissus et fonctionne dans les conditions cellulaires physiologiques, mais son activité est maximale dans des conditions de stress (Massey et al., 2006). Lors de privation nutritionnelle, si la macro-autophagie n’est pas suffisante pour assurer la dégradation aléatoire de composants intracellulaires, fournissant des acides aminés nécessaires pour la synthèse de nouvelles protéines, alors l’AMC intervient en renfort (Massey et al., 2006). De plus, elle assure de manière sélective la dégradation de protéines cytosoliques altérées présentant des séquences consensus KFERQ. Ces protéines sont alors prises en charge par la protéine chaperonne cytosolique HSC70 (Heat Shock Cognate protein 70) dont le rôle est d’assurer leur dépliement et leur transport jusqu’au récepteur membranaire LAMP-2A (Lysosomal Associated Membrane Protein type 2A) présent à la surface du lysosome pour être ensuite dégradées par les protéases lysosomales (figure 12) (Kaushik and Cuervo, 2012). Les modifications du fonctionnement de cette voie autophagique conduit au développement de certaines pathologies, dont des formes familiales de la maladie de Parkinson (Cuervo et al., 2004).
-La macro-autophagie. Elle intervient préférentiellement en conditions de stress. Son rôle est
double, soit elle permet la génération de macromolécules essentielles et d’énergie lors de privation nutritionnelle (Mizushima et al., 2005), soit elle permet l’élimination des composants intracellulaires altérés. Cette voie agit dans de nombreux tissus et est notamment essentielle pour assurer l’homéostasie neuronale (Hara et al., 2006 ; Komatsu et al., 2006). La macro-autophagie assure principalement la dégradation de protéines à durée de vie longue et d’agrégats protéiques (Komatsu et al., 2012). Pour cela, une double membrane appelée phagophore se forme dans le cytosol puis va séquestrer ces protéines ou ces agrégats en formant une vésicule nommée autophagosome (figure 12). Ce dernier fusionne ensuite avec le lysosome, formant ainsi un autolysosome où les protéines et les agrégats sont alors dégradés par les hydrolases lysosomales.
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Des études ont montré qu’un dysfonctionnement de cette voie autophagique peut être associé à diverses pathologies comme des myopathies sévères (Nishino, 2003) et des troubles neurodégénératifs (la SLA, les maladies d’Alzheimer et de Parkinson, par exemples) (Rubinsztein et al., 2005 ; Chen et al., 2012).
Figure 12 : Le système protéolytique.
Les protéines, devant être dégradées, sont internalisées dans des lysosomes à partir du milieu extracellulaire (hétérophagie) ou de l'intérieur de la cellule (autophagie). La voie hétérophagique la mieux décrite est l'endocytose. Il existe trois différents types d'autophagie: macro-autophagie, micro-autophagie et autophagie médiée par les protéines chaperones (CMA). Dans la macro-autophagie, les composants intracellulaires sont séquestrés par une membrane limitante formant une vacuole autophagique qui fusionne ensuite avec les lysosomes. En micro-autophagie, les substrats sont directement internalisés par des invaginations de la membrane lysosomale. Contrairement à cette dégradation "en vrac", lors de la CMA, les substrats protéiques sont transférés dans les lysosomes les uns après les autres en se liant au récepteur lysosomal (LAMP-2A). Le système ubiquitine-protéasome (UPS) est l'autre voie majeure pour la dégradation des protéines intracellulaires. Les substrats protéiques se lient à l’ubiquitine et sont pris en charge par le protéasome (d’après Martinez-Vicente et Cuervo, 2007).
Les niveaux intracellulaires des ubiquilines 1 et 2 pourraient être maintenus par deux différentes formes d’autophagie. En effet, l’ubiquiline peut être dégradée par la voie macro-autophagique mais aussi par la voie de l’AMC (figure 13 : A). Des études in vitro ont montré que le blocage de l’AMC entraine, par exemple, une activation de la macro-autophagie. Autrement dit,
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les voies de l’AMC et de la macro-autophagie pourraient agir de façon complémentaire afin de réguler les niveaux intracellulaires d’ubiquilines (Rothenberg et al., 2010).
Des études ont démontré que les ubiquilines 1 et 2 sont impliquées dans la voie macro-autophagique, notamment pour la conversion du LC3-I (forme cytosolique) en LC3-II (forme liée à la membrane) ainsi que pour la maturation des autophagosomes en autolysosomes (N’Diaye et
al., 2009 ; Rothenberg et al., 2010) (figure 13 : A).La déplétion des ubiquilines 1 et 2 rend les cellules plus susceptibles à une mort induite par privation de nutriments et retarde le transport de l’autophagosome aux lysosomes (N’Diaye et al., 2009).
Figure 13 : Représentation schématique de l’implication de l’ubiquiline 2 dans la voie macro-autophagique et la voie de Dégradation des protéines Associées au Réticulum Endoplasmique (DARE).
(A) L’ubiquiline 2 intervient dans la modulation de la macro-autophagie. Elle est elle-même dégradée par les voies macro-autophagique et de l’AMC. (B) L’ubiquiline 2 recrute les protéines du cytosol et du RE afin de les diriger jusqu’au protéasome pour leur dégradation. Elle peut aussi médier l'activité des protéines du RE, impliquées dans la voie de DARE telles que Herp et Ubxd8. UBL: « like domain »; UBA: « Ubiquitin-Associated domain »; Ubxd8: Ubiquitin regulatory X domain-containing protein 8; Herp: Homocysteine-induced
endoplasmic reticulum protein; LC3: Light Chain 3; CMA: Chaperone Mediated Autophagy (d’après Zhang et al.,
2014).