La SOD 1 ou CuZnSOD

X.1 Généralités

La SOD1 est une enzyme très largement conservée au cours de l’évolution, ce qui souligne son rôle fondamental dans la survie des organismes vivants. Elle est majoritairement présente chez les eucaryotes, les animaux (Bannister, Bannister, and Rotilio 1987) comme chez les plantes (Corpas et al. 2006; Pan et al. 2001), bien qu’on puisse aussi la retrouver chez certains procaryotes (Fridovich 1978). Son pH optimal se situe entre 5.5 et 9.5. Elle est extrêmement résistante à des conditions dénaturantes fortes et reste active après traitement thermique et dans une gamme étendue de pH (Hart 2006a).

Son gène est codé par le chromosome 21, sur le bras court, au niveau du segment 21q22.

X.2 Localisation cellulaire

La SOD1 est présente majoritairement au niveau cytoplasmique mais aussi dans le noyau, l’espace inter-membranaire mitochondrial (Bruijn, Miller, and Cleveland 2004) et même, chez les mammifères, dans le compartiment extra-cellulaire (tissus et liquides) (Marklund 1984).

Elle est exprimée dans toutes les cellules avec une activité plus importante au niveau du foie, du cerveau, des neurones et des érythrocytes.

X.3 Structure générale

La SOD 1 est une enzyme homodimérique de masse moléculaire 32 000 Da. Les deux sous-unités sont liées par des interactions au niveau de leurs chaines latérales hydrophobes. Elles pèsent chacune entre 15 et 17 kDa et contiennent un atome de cuivre et un de zinc.

Chaque sous-unité est formée d’une chaîne polypeptidique de 215 acides aminés organisée en feuillets 8 β antiparallèles 3 boucles α.

L’étude cristallographique de l’enzyme donne une distance entre les deux atomes de cuivre de 30 Å (Fisher et al. 1991).

Les deux sous-unités ne montrent pas de coopération, puisque des expériences de monomérisation de la SOD attestent que les deux monomères sont actifs (Banci et al. 1998).

Il est à noter que la SOD 1 possède une liaison intra-sous-unité sous la forme d’un pont disulfure entre la cystéine 57 et la cystéine 146. Ceci est étonnant du fait de l’environnement réducteur du cytosol, mais est cependant crucial dans le maintien de la structure quaternaire de la protéine (Arnesano et al. 2004; Hart 2006b).

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X.3.1 Structure du site actif

Le site actif de la SOD 1 est localisé au fond d’un canal étroit, dont la largeur va de 24 Å de bord à bord à la surface externe de l’enzyme, pour diminuer jusqu’à 4 Å au fond. Il est chargé positivement et situé sur la face externe du tonneau β, entre les 2 plus grandes boucles.

Les deux sites actifs du dimère sont séparés par une distance de 33.8 Å (Tainer et al. 1982).

Les ions cuivre présentent une activité catalytique alors que les ions zinc stabilisent la molécule. Tous les atomes métalliques ont un degré d’oxydation II. Au sein du site actif d’une même sous-unité, les atomes de cuivre et de zinc sont séparés d’une distance de 6.3Ǻ et liés par l’histidine 61 (voir figure 14).

Figure 14: Les atomes de Cu et de Zn sont séparés d’une distance de 6.3Ǻ et lié par l’histidine 61 (Anzellotti and Farrell 2008).

Le Cu est lié à trois autres histidines selon une géométrie « plan carré » (voir figure 15).

Figure 15: Géométrie plan-carré du Cuivre et de ses 4 histidines, géométrie tétraédrique distordue du Zinc et de ses 3 histidines (site : http://www2.ulg.ac.be/cord/initiation%20au%20met%20oxygene/complmet.html).

59 L’atome de zinc est enfoui, tandis que celui de cuivre émerge de 5Ǻ2

(voir figure 16).

Figure 16: Le Zn est enfoui, tandis que le Cu émerge de 5Ǻ2 (Shimazaki, Takani, and Yamauchi 2009).

X.3.2 Mécanisme réactionnel

L’étude cristallographique a démontré que la rapidité de l’activité catalytique de la CuZnSOD dépend du canal du site actif. Ce canal présente un potentiel électrostatique positif et est constitué d’une quinzaine de résidus constants (ex. : Glu 132, Glu 133, Lys 136, Thr 137, and Arg 143). Cette région facilite la diffusion moléculaire de l’anion superoxyde (Fisher et al., 1991). De plus, les liaisons hydrogènes responsables de ces propriétés électrostatiques modifient le potentiel redox de l’enzyme, la rendant spécifique de l’anion superoxyde. Elles protègent ainsi l’enzyme de l’inhibition par certaines molécules, comme le phosphate par exemple (Perry et al. 2010).

Ces mêmes propriétés électrostatiques expliquent en partie la façon dont les mutations de la SOD entraînent une agrégation de la protéine et la formation de fibrilles.

Durant le mécanisme réactionnel de la SOD1, l’atome de cuivre est successivement réduit puis ré-oxydé (Abreu and Cabelli 2010). La réaction générale est la suivante :

Cu(II)ZnSOD+O2-0/-1⟶ Cu(I)ZnSOD+ O20/0  oxydation

60 En premier lieu, l’O2.- se lie au Cu II et O2.-/Guanidium de l’Arg 141, ce qui a pour

effet de réduire le Cu II en Cu I. Il y a alors rupture de la liaison entre le cuivre et l’histidine 61 protonée. L’O2 formé est libéré. L’histidine 61, déplacée entre les deux atomes de métal, se

lie à nouveau à l’atome de cuivre, ce qui produit une libération de l’H+

qui est immédiatement fixé par l’O2. Enfin, une molécule d’H2O protone l’O2, aboutissant à la formation d’une

molécule d’H2O2 (voir figure 17).

Figure 17: Mécanisme réactionnel de la SOD.

X.4 La SOD 2 ou MnSOD

La superoxyde dismutase au manganèse, MnSOD, aussi appelée SOD 2, est présente aussi bien sous forme monomérique, que dimérique ou tétramérique (voir figure 18). Chaque sous-unité comporte un ion manganèse (Mn3+). La distance entre les deux ions manganèses est de 18 Å. On la retrouve chez les procaryotes aussi bien que chez les eucaryotes.

Chez l’Homme, son gène est situé sur le chromosome 6q25. La protéine codée est un polypeptide d’environ 200 acides aminés constitué en grande partie d’hélices α, contrairement à la CuZnSOD. Chaque sous-unité pèse une vingtaine de kDa (Wagner et al. 1993).

Elle est située dans la matrice et l’espace inter-membranaire mitochondriaux et protège cet organite du stress oxydant lié à l’activité de la chaîne respiratoire.

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Figure 18: Monomères et dimères de la MnSOD. (a) Structure du monomère (b) Structure du dimère de MnSOD (c) Atome de zinc entre deux monomères (d) Vue de la densité électronique au niveau du site du zinc (Liao et al., 2002).

De récentes études tendent à montrer que la MnSOD serait un très bon marqueur pronostique dans le cancer du sein. En effet, l’expression génique de cette enzyme est profondément altérée dès les premiers stades du cancer du sein et diffère de celle des stades tardifs de cette maladie : elle diminue au stade préliminaire puis ré-augmente en fin de maladie. Une diminution de l’expression de la MnSOD serait de bon augure, quant à la non- formation de métastases, en diminuant la formation de H2O2 intracellulaire.

De plus, il est démontré que la MnSOD joue un rôle dans la prolifération et l’angiogénèse des tumeurs mammaires, à travers l’activation de voies de signalisation par les espèces réactives de l’oxygène (O2.-, H2O2) (Becuwe et al. 2014).

Enfin, nous ajouterons que la vitesse catalytique de cette enzyme est très importante, puisqu’elle est d’environ 107

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X.5 La SOD 3 ou FeSOD

La troisième espèce de SOD possède un atome de fer sur le site actif de chacune de ses sous-unités. Elle est généralement dimérique mais parfois monomérique (voir figure 19) et très proche de la MnSOD au niveau structurel : elle est très riche en hélices α, leurs structures primaires présentent 45 % d’homologie et la distance entre les deux atomes de fer est de 18 Å. Cependant leurs deux atomes de métal (Fer et Manganèse) ne sont pas interchangeables.

Figure 19: Structure du monomère de FeSOD de l’archéobactérie Sulfolobus solfataricus (Ursby et al., 1999).

Elle est codée au niveau du chromosome 6 (Bannister, Bannister, and Rotilio 1987) et est exprimée dans le compartiment extracellulaire des cellules procaryotes et eucaryotes – sauf chez l’humain (Li and Yi 2012).