Les protéasomes des bactéries, mitochondries et chloroplastes

Figure 15 : Structure de la protéine Cdc48/p97. Vues latérale (gauche) et supérieure (droite) de la protéine

Cdc48/p97 humaine (PDB 5FTK). Cdc48 est un homo-hexamère dont chaque monomère comprend un domaine

N-terminal (N) (marron) et deux domaines AAA+ ATPase : D1 (orange foncé) et D2 (orange clair). Le côté N-N-terminal

(D1) du canal central est appelé côté cis, et le côtéC-terminal (D2) est appelé côté trans.

Cdc48 est situé dans le cytosol et le noyau, et joue un rôle essentiel dans de nombreux processus

cellulaires, y compris entre autres dans la voie de dégradation ERAD du réticulum endoplasmique

(de l’anglais « Endoplasmic Reticulum-Associated Degradation »), dans les systèmes de contrôle de la

qualité des protéines associés aux mitochondries, ou dans la prévention de l'agrégation des

protéines221. La fonction principale de Cdc48 est de séparer les protéines substrat des complexes

protéiques et des membranes des organites. Ces protéines libérées sont ensuite transférées à la

machine de dégradation ou repliées pour être recyclées. Dans le système protéasomique ubiquitine

et 26S, Cdc48 fonctionne alors en amont de la dégradation protéasomique220. Plusieurs études

récentes ont suggéré que le Cdc48 peut se lier directement à la particule catalytique 20S, formant

un complexe protéasomique Cdc48-20S appelé aussi « protéasome alternatif »220,222,223. Cependant,

le protéasome Cdc48-20S ne présente aucune activité de dégradation in vitro pour une protéine

substrat modèle, Cdc48 seul présentant une activité intrinsèquement faible224.

3.4.Les protéasomes des bactéries, mitochondries et chloroplastes

Selon la taille du génome, les bactéries possèdent généralement de deux à cinq protéases AAA+,

non-protéasomiques (sauf chez les actinobactéries qui possèdent un protéasome). De même, Les

organites eucaryotes d'origine bactérienne (mitochondries et chloroplastes) possèdent souvent

plusieurs protéases AAA+175. Il est important de présenter ici les protéases non-protéasomiques

car leur structure et leur mode d’action présumés seront discutés par la suite par rapport au

protéasome PAN-20S archéen étudié lors de cette thèse.

3.4.1. Diversité des protéasomes bactériens

Les protéases AAA+ présentes dans les bactéries, les mitochondries et les chloroplastes

comprennent la famille des protéases Clp, HslUV (aussi connu sous le nom de ClpYQ), Lon et

FtsH182, mais aussi le protéasome Mpa-20S et les protéines de type Cdc48/p97225.

La famille des protéases Clp code des ATPases hexamériques distinctes (ClpA ou ClpX chez les

bactéries à Gram-négatif et ClpC ou ClpE chez les bactéries à Gram-positif). Ces particules

régulatrices s'associent à ClpP, une protéase séquestrée de 14 sous-unités pour former ClpXP,

ClpAP, ClpCP ou ClpEP182,226. La protéase HslV se compose de deux anneaux hexamériques et

s’associe avec l’hexamère HslU. Dans le cas de Lon et FtsH, l’activité ATPasiques est liée à un

domaine intégré dans le complexe lui-même, les deux domaines étant codés sur une seule chaîne

polypeptidique227,228.

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La plupart des phyla bactériens utilisent ClpXP, ClpAP ou ClpCP, ClipEP, HslUV, Lon et FtsH

pour la dégradation dépendante de l'ATP des protéines, tandis que les actinobactéries utilisent

également le protéasome 20S225,229. La particule 20S (similaire à la particule 20S eucaryote) et HslV

utilisent une thréonine nucléophile pour le clivage des liaisons peptidiques. ClpP utilise une triade

catalytique Ser-His-Asp, Lon utilise une paire de Ser-Lys tandis que FtsH utilise un site actif

Asp-Zn2+ 182.

Les particules régulatrices AAA+ de la particule catalytique 20S sont Mpa (de l’anglais « Mycobacterial

Proteasomal ATPase ») et son homologue ARC (de l’anglais « AAA+ ATPase forming Ring shaped

Complexes »). Mpa et ARC constituent des anneaux hexamériques homologues du complexe formé

par les protéines AAA+ (Rpt1-Rpt-6) de la base de la particule régulatrice 19S eucaryote. La

protéine ARC étant peu caractérisée, nous ne parlerons dans la suite que de la protéine MpA.

La particule catalytique 20S est similaire à celle des eucaryotes, sous forme d’un complexe empilé

de deux anneaux βintérieurs flanqués d'un anneau α de chaque côté. Les actinobactéries sont donc

les seules bactéries possédant un protéasome, sous forme de protéasome Mpa-20S230. Les

actinobactéries possèdent également un homologue de Cdc48/p97 appelé Cpa (de l’anglais «

Cdc48-like Protein of Actinobacteria »)231,232. Tous les membres des actinobactéries qui codent pour Cpa

hébergent également les gènes des sous-unités protéasomales, bien que certaines actinobactéries

possèdent le protéasome mais pas Cpa.

Les figures 16 et 17 représentent les structures des différentes protéases AAA+ bactériennes.

A. B.

C.

Figure 16: Structure des protéases AAA+ bactérienne ayant une particule régulatrice distincte. Les protéines

régulatrices AAA+ sont représentées en orange et les sous-unités de type α et β des protéases sont représentées

respectivement en vert et bleu. A. Protéasome Mpa-20S de Mycobacterium tuberculosis. Les structures de Mpa et de la

particule catalytique 20S ont été obtenues de façon indépendante (respectivement PDB 5KZF et PDB 3MI0). B.

Protéase AAA+ ClpXP d’Escherichia coli (PDB 1TYF). Les structures de ClpX et de ClpP ont été obtenues de façon

indépendante (respectivement PDB 3HWS et PDB 1YG6). C. Protéase AAA+ HslUV de Haemophilus influenzae (PDB

1G3I).

38

A. B.

Figure 17 : Structure des protéases AAA+ bactérienne fusionnées avec leur particule régulatrice. Les protéines

régulatrices AAA+ sont représentées en orange et les protéases sont représentées en bleu. A. Protéase Lon de Yersinia

pestis (PDB 6ON2). B. Protéase FtsH de Thermotoga maritima (PDB 3KDS).

L'architecture des protéases AAA+ bactériennes est simple. Par exemple, les protéases HslV et

ClpP contiennent respectivement douze et quatorze unités identiques, homologues aux

sous-unités β du protéasome 20S, disposées en deux anneaux empilés, tandis que le protéasome 20S est

composé de sous-unités α et β identiques dans un arrangement similaire au protéasome 20S

eucaryote. Les particules régulatrices sont généralement des homo-hexamères. Structurellement,

les sous-unités AAA+ ressemblent aux homologues eucaryotes, les Rpts. Ils contiennent tous un

domaine en hélice α proche de l'extrémité N-terminale, suivi du domaine OB (anneau N) et d'un

anneau AAA+233.

Les rôles des protéases AAA+ spécifiques peuvent changer d'un organisme à l'autre. L'utilisation

de plusieurs protéases AAA+ par des cellules bactériennes ou des organites eucaryotes peut, en

partie, être liée aux divers emplacements subcellulaires des substrats. Par exemple, le FtsH bactérien

et ses homologues mitochondriaux sont liés à la membrane, et certains de leurs substrats sont des

protéines membranaires périphériques ou intégrales234,235, alors que la plupart des protéines Lon

dans les bactéries sont cytoplasmiques, et celles dans les mitochondries fonctionnent dans la

matrice236.

3.4.2. Les différentes voies d’adressage aux protéasomes bactériens

Les protéases bactériennes n'utilisent pas de récepteurs d'ubiquitine, car la signalisation de

l'ubiquitine n'existe pas chez les bactéries237. Cependant, la protéine Pup de type ubiquitine (UBL)

impliquée avec le protéasome Mpa-20S chez les actinobactéries cible les protéines par

monopupylation pour leur dégradation. Les régions coiled-coils en N-terminal de l’anneau N de

Mpa reconnaissent alors l'étiquette de dégradation Pup238. Cette voie de modification appelée

pupylation n'a aucun lien génétique avec l'ubiquitination eucaryote et représente un exemple de

convergence évolutive239. La figure 18 résume le processus de pupylation des protéines à dégrader.

Figure 18 : Mécanisme de pupylation. Pupylation et protéolyse à médiation protéasomique chez les actinobactéries.

Lors de la pupylation, la Gln carboxy-terminale de la protéine de type ubiquitine (Pup) est désamidifiée en Glu par

Dop. Le PafA peut alors fixer le Pup aux substrats, ce qui favorise leur dégradation protéasomique. Une fois conjugué

à des substrats protéiques, Pup se lie aux domaines coiled-coils de l'ATPase protéasomique (Mpa chez les

mycobactéries), et une région du Pup est convertie d'un état désordonné à une hélice α (non représentée). Pi, phosphate

inorganique. Adapté de Maupin-Furlow, J. (2012)156.

Dans le document Étude du mécanisme d’action du protéasome PAN-20S par diffusion de neutrons aux petits angles résolue en temps (Page 41-44)