Le protéasome 64 

Le protéasome – ou 26S protéasome - est la composante du système qui catalyse la dégradation des substrats protéiques. Il s’agit d’un complexe de 2,5 MDa composé de multiples sous-unités organisées en deux sous-ensembles : le 20S protéasome, responsable de l’activité catalytique, et le 19S protéasome, à activité régulatrice. La notion de protéasome est apparue pour la première fois en 1988 (288), mais la présence d’un grand complexe multiprotéique en forme d’anneau à activité protéolytique existait depuis quelques années déjà (289, 290). Le 26S protéasome semble être restreint au domaine eucaryote, toutefois il existe une forme de 20S protéasome chez les archées (ou archéobactéries) (291, 292). Chez les eucaryotes, le protéasome est localisé à la fois dans le noyau et le cytoplasme (293).

1.2.3.1 Structure et activité

Le 26S protéasome est constitué d’une structure 20S à laquelle sont associées une ou deux structures 19S. Le 20S protéasome est une structure cylindrique creuse à l’intérieur de laquelle les substrats sont dégradés. A chaque extrémité de ce tube sont liées deux structures formant « couvercle » : le 19S protéasome. Cette sous-unité régulatrice est responsable de contrôler l’entrée des substrats dans la cavité catalytique.

Figure 7. Le 26S protéasome.

Adapté de (294).

1.2.3.2 20S protéasome

Les études de cristallographie réalisée chez la levure et les mammifères montrent que le 20S protéasome a une structure de tonneau creux, constituée de quatre anneaux, eux-mêmes formés chacun de sept sous-unités, empilés les uns sur les autres (295, 296). Ces sous-unités sont de deux types : α et β. Les anneaux sont formés de sept sous-unités α ou sept sous-unités β et assemblés selon la configuration α7β7β7α7 (figure 7). La partie centrale, composée des

anneaux β est responsable de l’activité catalytique. Les sous-unités β1, β2 et β5 ont en effet une activité protéolytique respectivement de type caspase, trypsine et chymotrypsine. Il existe une variante du protéasome, appelée immunoprotéasome, ou ces sous-unités sont remplacées par les protéines LMP2, LMP7 et MECL-1 (aussi appelées sous-unités β1i, β2i et β5i). Le complexe formé présente une activité catalytique plus orientée contre les résidus basiques et hydrophobes qui semble plus favorable à la production de peptides utilisés par le système de présentation des antigènes (297, 298). Les deux anneaux α constituent les « entrées » de la cavité catalytique et ne possèdent pas d’activité catalytique. Chez les eucaryotes, lorsque le 20S protéasome n’est pas lié au 19S, les extrémités N-terminales des sous-unités α2, α3 et α4 interagissent entre-elles, bloquant ainsi l’entrée des substrats. La liaison du 19S protéasome, par son interaction avec les sous-unités des anneaux α, modifie la structure de cette entrée qui passe en conformation « ouverte » (299, 300). Il semblerait donc que le 20S protéasome ne peut fonctionner en l’absence d’une sous-unité régulatrice. La plus caractérisée est le 19S protéasome, mais il convient cependant de noter qu’il existe d’autre régulateurs, qui sont ATP- indépendants : le complexe régulateur 11S (connu aussi sous le nom de PA28) et le complexe Blm10/PA200 dont l’interaction avec les anneaux α est elle aussi capable de modifier la structure du 20S protéasome pour permettre l’entrée des substrats protéiques (301, 302). Leurs fonctions biologiques sont toutefois peu claires, il semblerait néanmoins que le 11S protéasome soit associé à la production de peptides immunogènes par l’immunoprotéasome

(303). La structure régulant la dégradation de substrats ubiquitinés par le 20S protéasome est donc le complexe 19S.

1.2.3.3 19S protéasome

Il n’existe à l’heure actuelle pas de structure du 19S protéasome obtenue par cristallographie. Toutefois, plusieurs études publiées en 2012, utilisant notamment la cryo- microscopie électronique et la cristallographie des différentes sous-unités, ont permis de déterminer un modèle structural pour le 26S protéasome, et donc pour la partie régulatrice 19S (304-307). Ce dernier est composé de 19 sous-unités qui forment une structure d’approximativement 900 kDa organisée en deux sous-ensembles communément appelés la base et le couvercle (308) (Figure 7). La base est composée de : six sous-unités à activité ATP- ases, nommées Rpt1-6 pour « Regulatory Particle aTp-ase 1-6 » organisées en forme d’anneau (309) ; deux sous-unités possédant des domaines de liaison à l’ubiquitine Rpn10 et Rpn13 (Regulatory Particle Non-ATP-ase) ; et deux grosses sous-unités structurales Rpn1 et Rpn2. Le couvercle est composé de huit sous-unités structurales Rpn3, 5-9, 12 et 15 et de la sous- unité à activité déubiquitinase Rpn11. (Voir revue (310)).

En plus de ces 19 sous-unités originalement décrites comme le squelette du 19S protéasome, il existe plusieurs protéines qui interagissent avec le complexe de manière plus ou moins transitoire. Parmi ces protéines on trouve des déubiquitinases, des récepteurs d’ubiquitine, des ubiquitines ligases et des chaperonnes nécessaire à l’assemblage (voir revue (311)). Il faut aussi noter le cas de la protéine « Deleted In Split Hand/Split Foot Protein 1 » (DSS1) qui lie les substrats protéiques ubiquitinées et semble être un des composant stœchiométriques de la structure (312).

Le 19S protéasome est essentiel au traitement des substrats ubiquitinés par le 26S. Le processus implique la reconnaissance du substrat, sa dénaturation, sa translocation vers le 20S et sa déubiquitination. Le rôle joué par chacune des sous-unités dans ces différents processus a été caractérisé par de nombreuses études fonctionnelles. Parmi les sous-unités nécessaires à la reconnaissance des substrats poly-ubiquitinés, se trouve les sous-unités qui possèdent les domaines de liaison à l’ubiquitine Rpn10 et 13, ainsi que DSS1 (313-315). La protéine de

structure de la base Rpn1 semble aussi pouvoir jouer ce rôle (316). De plus, il existe aussi des protéines associées au 19S qui jouent ce rôle, notamment la protéine Rad23 (317). La dénaturation et la translocation du substrat semblent être dépendantes de l’activité des ATPases Rpt1-6 (318, 319). Le fonctionnement de ces dernières n’est toutefois pas entièrement compris. Finalement, le 19S a une fonction déubiquitinase, nécessaire pour que les substrats puissent être traités par le 20S, mais aussi au recyclage de l’ubiquitine. La sous- unité Rpn11 a une activité métalloprotéase catalysant la déubiquitination de substrats (320). De plus, Rpn1 et Rpn13 recrutent des déubiquitinases nommées respectivement USP14 et UCH37/UCHL5 (321, 322).

Les études récentes de structure ont permis de commencer à clarifier la dynamique de l’ensemble du protéasome lors des différentes étapes de traitement des substrats. On pensait jusqu’à cette date que la base du 19S était au contact du 20S et que le couvercle était placé de manière à obstruer le canal formé par l’anneau de sous-unité ATPases. Il semblerait en fait que les sous-unités de la base Rpn10 et 13 soient positionnées en périphérie du 19S (323). Cette configuration permet d’exposer les domaines récepteurs à l’ubiquitine sur les deux protéines. De plus, la position des sous-unités ATPases semble dynamique passant d’une conformation favorisant l’engagement du substrat ubiquitiné à une conformation induisant sa translocation vers le 20S protéasome (voir (324).