Le système de dégradation dépendant du protéasome

La dégradation des protéines chez les eucaryotes est régulée, entre autre, par la voie protéolytique dépendante du protéasome (UPS). Ce système est retrouvé dans le noyau et le cytoplasme et est dépendant de l’ATP. Le signal général de la dégradation par l’UPS est l’ajout d’ubiquitines sur la protéine ciblée qui, par la suite, est dirigée vers le complexe majeur de protéases cellulaires : le protéasome. L’ubiquitination est un signal moléculaire très versatile au sein d’une cellule selon le nombre d’ubiquitines et la chaîne formée. L’ubiquitination peut être monomérique (mono-ubiquitination : ajout d’une seule molécule d’ubiquitine) ou bien, former plusieurs types de chaine d’ubiquitines (poly-ubiquitination). La mono-ubiquitination contrôle plusieurs fonctions au sein d’une cellule comme le transport de récepteur, la réparation de l’ADN et même la relâche de virion. De son côté, la poly-ubiquitination où les chaines d’ubiquitines vont se former via une liaison covalente à leur lysine à la position 48, sont associées à la régulation de la stabilité d’une protéine. De plus, les ubiquitines peuvent être associées entre elles via d’autres lysines (K6, K11, K27, K29, K33 et K63) retrouvées à leur surface, formant ainsi une diversité de chaine d’ubiquitines créant une gamme de signaux moléculaire dans la cellule. L’ubiquitination d’une protéine peut être aussi associée à d’autres rôles non-protéolytiques comme la régulation de la structure de la chromatine et de la transcription, la progression du cycle cellulaire, le métabolisme des acides nucléiques, l’autophagie et finalement, l’endocytose (Daulny and Tansey, 2009; Welchman et al., 2005).

Afin de marquer une protéine pour la protéolyse, une cascade enzymatique est enclenchée impliquant plusieurs étapes et enzymes distinctes, aboutissant à l’ubiquitination et la dégradation de la protéine cible. La première étape nécessite l’activation d’une ubiquitine libre par une enzyme activatrice nommée E1 (ubiquitine-activating enzyme, UAE). L’activation de l’ubiquitine est dépendante de l’ATP et implique la formation d’un intermédiaire ubiquitine-adénylate, la libération de pyrophosphate, le transfert de

l’intermédiaire à un résidu cystéine porté par l’enzyme E1 et subséquemment, un relargage d’AMP. Par la suite, l’ubiquitine activée est transférée sur un autre résidu cystéine porté cette fois-ci par l’enzyme de conjugaison appelée E2. Cette dernière est responsable du transfert de l’ubiquitine directement sur la protéine cible ou bien sur une ou un nombre restreint de ligases E3. Il existe environ 50 enzymes E2 classés en quatre groupes qui vont déterminer la topologie des liens de la chaîne d’ubiquitines. Ces enzymes possèdent une caractéristique commune d’avoir un domaine catalytique conservé (Ubc) contenant un résidu cystéine actif. Ces protéines de conjugaison vont être classifiées selon l’existence d’une extension au noyau catalytique. Ainsi, certaines des E2 feront partie de la classe I si elles possèdent uniquement le domaine Ubc. Elles seront regroupées au sein des classes II, III et IV dépendamment si elles possèdent des extensions en N-terminale, C-terminale ou les deux du domaine Ubc (Winn et al., 2004). Ces séquences additionnelles caractérisent les différences fonctionnelles des E2 à savoir, leur localisation cellulaire, la stabilisation de l’interaction avec les enzymes E1 ou pour la modulation de l’activité de l’enzyme E3. Les enzymes de conjugaison E2 sont responsables du sort de la protéine ciblée dépendamment sur quelle lysine l’ubiquitine sera utilisée pour l’initiation de la chaîne ou bien, le nombre d’ubiquitines qui y sera ajouté. L’enzyme E2 va ensuite déplacer l’ubiquitine sur une ligase E3 qui elle-même, est liée à sa protéine-substrat et lui transfèrera l’ubiquitine sur un résidu lysine accepteur. La sélectivité du substrat par l’UPS repose surtout sur la spécificité de plusieurs centaines de ligases E3 codées par le génome humain qui sont responsables du recrutement des protéines cibles à être marquées. Ces enzymes sont classés en deux groupes distincts selon leur fonctionnement. Il y a les ligases E3 à domaine HECT qui contiennent un résidu cystéine permettant de transférer une molécule d’ubiquitine à la protéine cible. Ces E3 sont utilisés afin d’accepter une molécule d’ubiquitine d’une enzyme E2 et de promouvoir le transfert à un résidu lysine d’une protéine substrat. Les ligases E3 à domaine RING et U-box quant à elles, ne possèdent pas de cystéine à leur site actif et agissent en amenant le complexe E2-ubiquitine près de la protéine cible afin de promouvoir directement le transfert de l’ubiquitine de l’enzyme E2 au substrat.

La marque générale pour la dégradation retrouvée sur la protéine ciblée, est une chaîne liant des molécules d’ubiquitines via le résidu lysine 48 (K48). Lors du relâchement du substrat de la protéine E3 ligase, le protéasome 26S reconnaît la chaîne de poly- ubiquitines et la protéine ainsi marquée est détruite. Des marques comme la mono- ubiquitination ou bien la poly-ubiquitination utilisant des résidus lysines accepteurs d’ubiquitine distincts, vont servir d’étiquetage pour des fonctions diverses autres que la protéolyse. Des enzymes de dé-ubiquitination (deubiquitylating enzyme, DUB), vont réguler les fonctions de ces diverses modifications en enlevant les ubiquitines liées à la protéine (Komander et al., 2009). Le protéasome 26S est un complexe protéique composé de 3 sous-unités, soit l’unité catalytique 20S et 2 sous-unités 19S formant la base et les couvercles du protéasome. L’unité catalytique 20S possède trois activités protéolytiques : trypsine, chymotrypsine et caspase. Ces activités sont situées à l’intérieur de la sous-unité 20S afin de protéger la cellule d’une dégradation non-spécifique. La dégradation des protéines nécessite l’utilisation d’ATP par des enzymes ATPases retrouvées dans les 2 sous-unités 19S du protéasome. Suite à la dégradation, le substrat est réduit à de courts peptides qui seront fractionnés en acides aminés par des peptidases et réutilisés par la cellule (Figure 1.24).

Figure 1.25. Système d’ubiquitination dépendant du protéasome (UPS).

L’UPS permet la dégradation, par le protéasome, d’une protéine marquée par l’ajout de molécules nommée ubiquitine. Pour se faire une cascade enzymatique regroupant des enzymes activatrices E1, de conjugaison E2 et des ligases E3 vont être sollicités afin de cibler et transférer des ubiquitines sur le substrat à dégrader. Les E3 ligases sont divisés en deux groupes distincts (à domaine HECT ou RING) selon leur fonctionnement. Des enzymes de dé-ubiquitination (DUB) peuvent intervenir pour enlever les molécules d’ubiquitines et réguler les activités du substrat. La protéine marquée peut aussi être dirigée pour sa dégradation vers le protéasome, composé de 2 sous-unités 19S et une sous-unité 20S possédant des activités protéolytiques. Le substrat est alors réduit à de courts peptides qui seront fractionnés en acides aminés et réutilisés par la cellule. Figure tirée de Ravid et Hochstrasser (2008) (Ravid and Hochstrasser, 2008).