Juliette et le protéasome
M.C. Béné*
* Laboratoire d’hématologie, CHU de Nantes.
A
ujourd’hui, Juliette, nous allons parler des protéines. La notion de protéine t’est familière, n’est-ce pas ? Tu sais que ce sont des composants des êtres vivants et des éléments importants de l’alimentation.Tu sais qu’il y en a dans les plantes et dans les animaux. Mais sais-tu que ces molécules fondamentales ne portent ce nom que depuis 1835, date à laquelle le Hollandais Gerrit Mulder a postulé que le blanc d’œuf était composé d’une substance de base (wortelstof) constituée de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote1 ? Son collègue suédois, Jöns Jacob Berzelius, lui suggéra d’appeler cette structure fondamentale
“protéine”, du grec proteos, ou élément premier. Mulder montra ensuite que des substances similaires étaient présentes dans les végétaux et les tissus animaux. La chimie organique balbutiait à l’époque, et on a alors pensé que les végétaux fournissaient directement les protéines aux animaux, incapables eux-mêmes de les synthétiser.
On a également pensé un temps que ces protéines étaient simplement une source d’énergie. Les travaux de Justus von Liebig, notamment sur l’azote, lui avaient fait postuler (et enseigner) que le caractère azoté des protéines leur permettait de participer à la formation des tissus, en particulier des muscles, alors que les aliments non azotés étaient utilisés pour la respiration et la génération de chaleur. Plus tard, il avait conclu, de la présence d’azote dans les urines, qu’une partie des protéines était aussi consommée et qu’elles devenaient ainsi une source d’énergie.
Pour vérifier s’il existait effectivement une “consommation” musculaire pendant un effort, Adolf Fick et Johannes Wislicenus, 2 universitaires physiologistes suisses versés dans le dosage de l’azote, décidèrent, en 1866, d’escalader une montagne, en n’ayant ingurgité aucune source de protéine.
Depuis quelque temps – et ils en maniaient parfaitement le concept et la mesure –, Nicolas Clément, en 1824, puis James Prescott Joule, en 1842, avaient défini précisément qu’une calorie était la quantité d’énergie nécessaire pour élever d’un degré la température d’un kilogramme d’eau. Nos 2 Suisses, nourris de galettes de fécule frites dans de l’huile, et recueillant soigneusement leur urine, entamèrent alors leur ascension de 1 929 mètres, et dosèrent l’azote urinaire excrété pendant cet effort.
Par une savante série de conversions, ils conclurent que cet azote éliminé correspondait à environ 150 kilo- calories. C’était la moitié de l’énergie évaluée pour cette escalade, qui ne pouvait donc pas provenir uniquement des muscles et dépendait forcément de “sources non azotées”. Les protéines étaient donc dégradées en partie par le métabolisme, mais de manière quasi indépendante de l’énergie fournie par un effort.
Pendant que toute une troupe de chercheurs en nutrition ou en agronomie s’efforçait de comprendre les arcanes de la production de protéines par les végétaux (notamment les travaux de Liebig sur l’azote et les engrais, puis sur les apports nutritionnels des jus de viande, le fameux “bouillon Liebig”), d’autres tentaient de décrypter d’autres composés végétaux. Ces chimistes se livraient à toutes sortes de réactions et, en 1806, Louis-Nicolas Vauquelin et
1 Découverte de l’azote et de l’oxygène en 1772, de l’hydrogène en 1766. Le carbone est connu depuis l’Antiquité, mais sa présence dans les composés organiques n’est reconnue qu’en 1828.
Correspondances en Onco-Hématologie - Vol. XIII - n° 2 - mars-avril 2018 61 limpide d’une grande beauté, fraîche au
goût : c’est l’asparagine. Ils identifient bien une grande quantité d’azote dans ces cristaux, mais sont loin d’imaginer qu’ils ont découvert le premier acide aminé. Ils constatent cependant que cette molécule est différente de tout ce qui a été isolé jusque-là.
Les progrès sont ensuite très lents.
Le terme d’acide aminé, initialement proposé en 1804 par des Allemands, est finalement validé en 1898, et le dernier découvert, en 1935, est la thréonine, plus de 100 ans plus tard.
En 1902, 2 chercheurs indépendants, Emil Fischer2, de Berlin, et Franz Hofmeister, de Strasbourg, présentent au même congrès leurs travaux établissant que les protéines, dont on a montré peu de temps avant que l’hydrolyse libère des acides aminés, sont constituées d’un assemblage de ces derniers. Ils ont découvert la liaison peptidique, liaison covalente entre un groupement α-aminé d’un acide aminé et le groupement carboxylique d’un autre acide aminé.
Trente ans plus tard, Linus Pauling, cloué au lit par la grippe, décrypte la structure de cette liaison, et les formes en feuillets bêta plissés ou en hélices alpha des protéines.
Tu vois, Juliette, tout le temps qu’il a fallu pour commencer à mieux comprendre ce qui se passe entre l’asperge que tu manges et l’arginine nécessaire, entre autres, à la proliféra- tion de tes lymphocytes ? Mais pour les détails, pour les mystères du métabo- lisme protéique animal, c’était encore très obscur, et on pensait toujours que les protéines des végétaux étaient directement incorporées dans nos tissus.
Franz Hofmeister avait juste pressenti que certaines protéines pouvaient
et David Rittenberg qui, proches du découvreur du deutérium (Harold Urey, prix Nobel de chimie en 1920), déve- loppent l’usage des isotopes comme marqueurs métaboliques. Ces chercheurs utilisent des acides gras marqués au deutérium pour analyser comment l’or- ganisme utilise les acides gras alimen- taires. Après avoir nourri des rats avec de l’huile de lin marquée, ils constatent que cet apport est d’abord stocké dans le foie et le tissu adipeux et non utilisé directement. On est en 1931 et, quelques années plus tard, avec de l’azote radioactif (15N) obtenu par Urey, ils marquent des acides aminés et les administrent de nouveau à des rats. À leur grande surprise, seuls 50 % de l’azote marqué d’une tyrosine ingérée sont éliminés par les urines.
C’est même seulement 30 % pour de la leucine marquée. Cela suggérait donc que cet acide aminé était intégré dans des protéines en cours de formation.
Comme les auteurs de ces travaux avaient également constaté que la balance azotée des animaux ne chan- geait pas, il fallait donc admettre que d’autres protéines avaient été détruites.
L’isotope était retrouvé effectivement dans les tissus des animaux. Une étude plus fine des acides aminés extraits des carcasses hydrolysées réservait une autre surprise, publiée en 1939 dans Science (leur média préféré) : l’azote marqué pouvait se retrouver sur d’autres acides aminés que celui initialement administré. Il y avait donc un échange entre acides aminés au cours du métabolisme, une “déamina- tion” et “réamination”, après rupture des liaisons peptidiques !
Sur ces entrefaites, d’autres grandes découvertes étaient en train de révolutionner la biologie. Revenons en arrière, en 1869, lorsque Friedrich Miescher, un chimiste suisse, décide d’étudier les protéines des noyaux des leucocytes. Il fait affaire avec
2 Pour la petite histoire, Fischer reçut la même année le prix Nobel pour ses travaux sur les purines.
un hôpital voisin pour se procurer des compresses pleines de pus, les lave et réalise une série de réactions chimiques pour extraire les protéines.
Il isole ainsi presque par hasard une molécule résistant à la protéolyse et particulièrement riche en phosphore.
En fait, il vient de découvrir l’ADN, dont la structure de double hélice ne sera finalement élucidée par James Watson et Francis Crick que 80 ans plus tard. La découverte des mécanismes de la synthèse des protéines par le décodage du code génétique porté par l’ADN va alors occuper un grand nombre de chercheurs, mais cela est une autre histoire que celle que je veux te raconter aujourd’hui, Juliette.
Retournons dans les années 1860 et quittons la synthèse pour nous pencher de nouveau vers la dégradation, la
“consommation” des protéines au cours du métabolisme. La découverte du lysosome par Christian de Duve en 1955 (souviens-toi, nous en avons parlé il y a peu) semblait avoir apporté la clé de tous ces remaniements moléculaires jusque-là insoupçonnés. Jusqu’à ce que l’on dispose d’inhibiteurs lysosomaux et que l’on constate qu’ils n’abolissaient pas toutes les dégradations protéiques, et en particulier celles des protéines intracellulaires. Pourtant, le rôle crucial de la membrane lysosomale pour isoler les protéines des redoutables protéases du lysosome était bien compris. Il semblait donc qu’il y avait autre chose dans la cellule, capable de faire le tri pour dégrader ou non certaines protéines et remettre leurs acides aminés à disposition pour les ARN de transfert. Car on avait aussi remarqué, Juliette, que la durée de vie des protéines était très variable, de quelques minutes à plusieurs jours, excluant la possibilité d’un mécanisme univoque. Le “tri sélectif” des lysosomes avec leurs 4 voies – que sont la phagocytose, la pinocytose, l’endocytose et l’autophagie – n’était donc pas suffisant !
Tout cela fascinait 3 chercheurs, nobélisés en 2004, Aaron Ciechanover, Avram Hershko et Ir w in Rose.
Un premier fait intrigant attire leur attention : cette dégradation en présence d’inhibiteurs lysosomaux est consommatrice d’énergie, alors que la rupture des liaisons peptidiques est classiquement libératrice d’énergie.
Il faut donc de l’ATP, et l’on pense d’abord que cela est dû au maintien du pH des lysosomes ou à l’entrée des protéines dans les lysosomes. Mais ce phénomène existe aussi dans des bactéries, dépourvues de lysosome, et il y a donc autre chose. C’est là qu’entrent en scène les réticulocytes, eux aussi sans lysosomes. Ces jeunes hématies qui continuent à produire de l’hémoglobine comme quasi unique protéine sont aussi capables de dégrader très rapidement cette protéine si elle est anormale.
C’est le cas si on leur fournit une valine défectueuse, mais aussi dans la nature chez les patients thalassémiques ou drépanocytaires. En 1977, Joseph Etlinger et Alfred Goldberg confirment, à partir de réticulocytes de lapins incubés en présence d’acides aminés modifiés et de leucine marquée, la dégradation rapide et ATP-dépendante d’hémog lobine anor male alors que l’hémog lobine nor male est intouchée. Aaron Ciechanover et ses 2 mentors entreprennent alors de fractionner des réticulocytes de lapin. Ils obtiennent 2 fractions, dont l’une contient l’hémoglobine.
Mais une dégradation protéique n’est possible que si ces 2 fractions sont mélangées. Ils isolent alors une petite protéine thermostable qu’ils appellent ATP-dependent Proteolysis Factor 1 (APF1). Rapidement, cette protéine est identifiée comme étant l’ubiquitine, découverte en 1977 par Gideon Goldstein à partir de thymus, dans ses travaux sur le système immunitaire, mais rapidement reconnue comme étant présente dans tous les tissus (d’où son nom), y compris les bactéries et les végétaux. Par une
Correspondances en Onco-Hématologie - Vol. XIII - n° 2 - mars-avril 2018 63 de la seconde fraction des extraits
de réticulocytes, les 3 futurs Nobel établissent et publient leur hypothèse en 1980. L’ubiquitine est en fait un
“marqueur”, qui s’accroche sur les protéines anormales et les dirige vers un complexe macromoléculaire riche en protéases. L’ubiquitine est alors détachée et réutilisable. Ils viennent de décrire le protéasome (figure 1).
On sait maintenant, Juliette, que le protéasome est une structure intra- cellulaire complexe présente dans le cytoplasme des cellules. C’est une sorte de “hachoir” comme celui qui, chez ton boucher, prépare du steak haché. Dans cette structure en forme de tube, les protéines apportées par l’ubiquitine sont dégradées en petits peptides, eux-mêmes ensuite rapidement dégradés dans le cytosol pour libérer les acides aminés.
Trois enzymes sont nécessaires pour l’ubiquitinylation et régulent donc la dégradation des protéines. Le protéa- some lui-même (figure 2) est une protéase multicatalytique de grande taille (26S) composée de 2 parties : une catalytique (Core Particle [CP]), l’autre régulatrice (Regulatory Particle [RP]).
La CP est en forme de tonneau et comporte 4 anneaux empilés, respec- tivement externes et internes, iden- tiques 2 à 2. Chez les eucaryotes, chaque cercle est constitué de 7 sous-unités, ce qui donne une structure α1-7, β1-7, β1-7, α1-7. Les sites catalytiques sont positionnés sur certaines sous-unités bêta et ont une activité de type caspase pour β1, de type trypsine pour β2 et de type chymotrypsine pour β5. Le “tube”
du protéasome est recouvert d’un
“couvercle” de 17 sous-unités à chaque extrémité, les RP. Le couvercle supérieur reconnaît les protéines ubiquitinylées, ouvre l’orifice de la chambre catalytique et déplie les protéines pour qu’elles puissent y pénétrer. Le couvercle infé- rieur fournit l’énergie par ses 9 sous- unités à fonction ATP-ase.
Figure 1. Première hypothèse concernant l’ubiquitinylation (A) et vision de 2004 dans le discours Nobel de Avram Hershko (B).
E2
E2 Ub Ub
Ub
Ub Ub
ATP + ATP
1 2
3 4
Protéine +
n APF n ATP
n APF-X + acides aminés (APF)n-protéine
AMP + PPI
ADP + PI Protéine
dégradée
26S protéasome
E = enzyme Ub = ubiquitine Ub+
Ub Ub
Ub Ub
Ub Ub
Ub E2
E3 Protéine
Protéine E1
E1
E1 UCH
DUB
A
B
Figure 2. Structure et fonctionnement du protéasome.
ATP Ubiquitine
Protéine Sous-unité régulatrice
Sous-unité régulatrice Sous-unité α
Sous-unités β catalytiques Sous-unité α Anneaux
heptamériques
Acides aminés
Petits peptides
L’auteur déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.
Ce système est impliqué dans de nombreux phénomènes physiologiques, du contrôle du cycle cellulaire à l’apoptose, du développement embryonnaire à la sénescence. Le protéasome est ainsi un élément fondamental pour la régulation des synthèses protéiques, l’élimination rapide des protéines mal synthétisées o u mal confor mées o u encore l’activation de la voie canonique de NF-κB. Des anomalies de l’ubiquitine
ou du protéasome sont associées à certaines maladies. À l’inverse, favoriser l’accumulation des protéines devant être éliminées ou inhiber la voie de NF-κB en bloquant le fonctionnement du protéasome permet de tuer des cellules cancéreuses. C’est ce qui a été mis à profit notamment dans le myélome multiple, avec le développement du bortézomib puis d’autres molécules de cette classe. Mais cela est une autre
histoire, Juliette. ■
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