Chapitre II : Rôle des protéines Foxo dans le système immunitaire
1. Structure et fonctions des protéines de type Foxo
D’un point de vue structurel, les facteurs Foxo possèdent un domaine de fixation à l’ADN de type « Forkhead » d’environ 100 acides aminés ultra-conservé qui reconnaît une séquence consensus « core » de huit paires de bases : 5’-TTGTTT(A/G)C-3’ (ou sa séquence complémentaire 3’-AACAAA(T/C)G-5’). Cette séquence est appelée séquence « ForkHead Response Element » (FHRE) ou « Foxo Binding Site » (FBS). En plus du domaine Forkhead, ces protéines possèdent : une séquence d’import nucléaire (NLS), une séquence d’export nucléaire (NES) et un domaine de transactivation (TA) (Calnan and Brunet 2008).
L’activité des protéines Foxo est très finement régulée par des modifications post- traductionnelles (PMT) sur plusieurs résidus comme par exemple, les sérines, lysines et thréonines (Figure 14).
Figure 14 - Structure des différentes protéines Foxo : Les protéines Foxo sont composées d’un domaine de fixation (FHD), une séquence d’import de la protéine dans le noyau (NLS), une séquence d’export du noyau (NES) et d’un domaine de transactivation (TAD). Seule la protéine Foxo6 ne possède pas de NES. L’activité des protéines Foxo est finement régulée par modifications post-traductionnelles, essentiellement par acétylation (A) et phosphorylation (P) par différentes kinases (AKT, AMPK, IKK-b etc …) ou acétyl-transférases (CBP/p300, MST1 etc …). Eijkelenboom et al., Nri 2013
Ces PMT vont permettre, en fonction du résidu concerné, la translocation ou l’exclusion des protéines Foxo au niveau du noyau. Parmi les modifications possibles, les protéines Foxo peuvent être phosphorylées, acétylées, méthylées ou encore ubiquitinylées, et peuvent induire l’activation ou l’inhibition des protéines Foxo (Figure
15). Toutes ces PMT constituent le « Foxo CODE » et seront abordées brièvement
pour Foxo1 et Foxo3 dans cette partie (Calnan and Brunet 2008).
Figure 15 - Modifications post-traductionnelles et leurs effets sur les protéines Foxo. Les protéines Foxo peuvent subir plusieurs modifications post-traductionnelles (PTM) affectant l’activation ou l’inhibition des protéines Foxo. Par exemple la phosphorylation par AKT, IKK, CDK1 ou AMPK induisent l’exclusion des Foxo du noyau, alors que la phosphorylation par JNK et MST1 permet aux Foxo de rester nucléaires. Burgering et al., 2013 Nature Reviews Molecular Biology
P T32 A K242/5 P S253A K259 673 aa A K290 P S413 A K569 P S626 P S644 TAD NLS NES FHD 505 aa FHD NLS NES TAD 492 aa FOXO3A FOXO1 FOXO4 FOXO6
AKT AKT AKT
P S315 P S7 IKKβ P T179 P S555 P S588 AMPK AMPK P S207 MST1 655 aa N TAD FHD NLS NES FHD TAD P P S294 S344 P S425 NLS CBP/p300 CBP/p300 N N N C C C C PKB FOXO JNK CKI p38 DYRK1A CDK1 IKK AMPK LRKK2 cGIIK MST1 MK5 MAPK NLK p300 SIRT1 HDAC MDM2 USP7 PRMT1 SET9 Phosphorylation Acetylation Ubiquitylation Methylation Activation Effect: Inhibition Unclear
Différentes modifications post-traductionnelles : Phosphorylation, Acétylation et Méthylation
L’acétylation est une des principales PMT régulant l’activité des protéines Foxo. En réponse à la présence d’insuline ou de facteurs de croissance, la voie PI3K-Akt est activée et va permettre l’inhibition des protéines Foxo et leur séquestration dans le cytoplasme (Brunet, Bonni et al. 1999). En particulier, la phosphorylation de la Thréonine 24 (T24) et des Sérines 256 et 319 (S256 et S319) pour Foxo1 et de la Thréonine 32 (T24) et des Sérines 256 et 319 (S253 et S315) pour Foxo3 va permettre la génération de sites de fixation pour la protéine chaperonne 14-3-3 (Biggs, Meisenhelder et al. 1999, Kashii, Uchida et al. 2000). 14-3-3, en interagissant avec les protéines Foxo, va permettre leur exclusion du noyau et prévenir leur réentrée, probablement via la modification de la conformation de la protéine et la modification de la charge de la protéine (Rena, Woods et al. 2002 , Obsilova, Vecer et al. 2005). D’autres PMT sur les résidus S322 et S325 permettent de potentialiser la séquestration Foxo1 dans le cytoplasme en augmentant l’interaction de Foxo1 avec la machinerie d’exportation (Ran et Exportin/Crm1) et va permettre dans un second temps la dégradation des protéines Foxo via le protéasome (Rena, Woods et al. 2002). En plus de la voie PI3K-Akt, d’autres kinases vont permettre d’inhiber l’action de ces FT. C’est le cas, notamment de IKK-b, SGK1 et de certaines cyclines qui vont phosphoryler les Foxo sur différents résidus tels que les sérines S644 et S249 pour Foxo3 par exemple.
La relocalisation des facteurs Foxo se fait grâce à l’action de phosphatases comme PP2A (Protein Phosphatase 2A) qui va permettre d’enlever les marques posées par Akt et SGK (Rinner, Mueller et al. 2007). En réponse au stress oxydatif, les kinases Mst1 et Jnk1 vont permettre la relocalisation des Foxo, et ce, même en présence de marques permettant la rétention cytoplasmique des protéines (Brunet, Sweeney et al. 2004). Il existe une hiérarchie entre les différentes PMT qui permet la relocalisation des protéines Foxo dans le noyau, et ce, même en présence de phosphorylations inhibitrices. Par exemple pour Foxo3, la phosphorylation de la sérine 207 (S207) par Mst1 permet de déstabiliser l’interaction de Foxo3 avec 14-3-3 et permet ainsi de ré- importer la protéine dans le noyau (Lehtinen, Yuan et al. 2006). Jnk1, quant à lui, phosphoryle Foxo4 sur les thréonines 447 et 451 (T447 et T451) et permet également la relocation nucléaire de la protéine, et ce, en dépit de l’action d’Akt/SGK1.
L’acétylation est une autre des principales PMT que peuvent subir les protéines Foxo, modifiant ainsi leurs localisations subcellulaires. Cette PMT se fait via des protéines acétylases. Les premières protéines capables d’acétyler les protéines Foxo furent identifiées par technique de double hybride : il s’agit de CBP/p300. CBP et p300 sont des histones acetyltransférases qui jouent des rôles en tant que co-activateurs de la transcription. Chez la souris, CBP/p300 est capable d’acétyler Foxo1 sur ses lysines 242, 245 et 262 (K242, K245 et K262). Cette acétylation de Foxo1 conduit à une diminution de la transcription cible des protéines Foxo (Daitoku, Hatta et al. 2004). Comme toute protéine acétylée, les FT Foxo peuvent être désacétylés. Chez
C.elegans la protéine homologue des protéines Foxo, Daf-16 est déacétylée par une
déacétylase NAD-dépendante Sir2 (pour Silent Information Regulaor 2) (Tissenbaum and Guarente 2001). Cette découverte a permis de mettre en évidence que chez la souris et chez l’Homme, les orthologues de Sir2 (SIRT1 et SIRT2) sont capables de déacétyler les FT Foxo1, Foxo3 et Foxo4 et ainsi inhiber l’activité transcriptionnelle des protéines Foxo (Daitoku, Hatta et al. 2004, Motta, Divecha et al. 2004).
Enfin les protéines Foxo peuvent aussi être méthylées via la protéine SET9 ou PRMT1. Par exemple SET9 méthyle Foxo3 au niveau du domaine de fixation à l’ADN et inhibe ainsi la fixation de Foxo3 sur ses séquences cibles, et PRMT1 méthyle Foxo1 sur les arginines 248 et 250 (R248, R250) et inhibe également la fonction de Foxo1 (Yamagata, Daitoku et al. 2008, Xie, Hao et al. 2012)