Constituants cellulaires : protéasome 26S
Structure du coeur catalytique 20S (CP : Core Particle)

Sommaire
  1. Biologie cellulaire et moléculaire
    1. Cellules procaryotes et eucaryotes
    2. Structure générale d'une cellule eucaryote
  2. Constituants de la cellule
    1. Membrane plasmique
    2. Noyau
    3. Cytoplasme
      1. Hyaloplasme
        1. Cytosol
        2. Cytosquelette
          1. Microfilaments d'actine
          2. Filaments intermédiaires
          3. Microtubules
        3. Proteasome
          1. Vue d'ensemble
          2. Structure générale du protéasome 26S
            1. Coeur catalytique : 20S
              1. Coeur catalytique canonique
                1. Anneau α
                2. Anneau β
              2. Alternatives au coeur catalytique canonique
            2. Complexe régulateur 19S
              1. Base du complexe régulateur 19S
                1. Rpt1-6 de la base
                  1. Structure des Rpt
                    1. Domaine N-terminal
                      1. Anneau OB
                      2. Superhélices (coiled-coil) des Rpt (Rpt3/6, Rpt4/5, et Rpt1/2)
                    2. Domaine AAA+
                      1. Anneau ATPase et corps rigides
                      2. Boucles du pore (pore loops)
                        1. Boucle Ar-Φ
                        2. Pore-2 loop
                      3. Extrémités C-terminales
                    3. Canal central
                2. Rpn de la base
                  1. Rpn1 et Rpn2
                  2. Rpn10 et Rpn13
              2. " Couvercle " (lid)
                1. Rpn à domaine PCI : Rpn3, 5, 6, 7, 9, 12 
                2. Rpn à domaine MPN : dimère Rpn11/8
                3. Rpn15
            3. Autres complexes régulateurs
              1. PA200 /Blm10
              2. Complexe 11S
          3. Assemblage du protéasome 26S
            1. Assemblage du coeur catalytique
              1. Anneau α
              2. Anneau β
            2. Assemblage du complexe régulateur 19S
              1. Assemblage de la base
                1. RAC (RP Assembly Chaperones)
                2. Ordre d'assemblage
                3. Action du coeur catalytique
              2. Assemblage du " couvercle " (lid)
          4. Fonctionnement du protéasome
            1. Acceptation du substrat
              1. Rpn10 et Rpn13
              2. Récepteurs alternatifs d'ubiquitine
            2. Engagement du substrat
              1. Déplacement du " couvercle " (lid)
              2. Déplacement de la base
            3. Translocation du substrat
              1. Positionnement de l'anneau ATPase
              2. Positionnement de l'anneau OB
            4. Désubiquitination du substrat
              1. Rpn11
              2. DUB supplémentaires
            5. Protéolyse du substrat
      2. Morphoplasme : organites
        1. Réticulum endoplasmique
        2. Appareil de Golgi
        3. Mitochondries
        4. Lysosomes
        5. Endosomes
        6. Peroxysomes
  3. Matrice extracellulaire
  4. Reproduction cellulaire
    1. Cycle cellulaire
    2. Mitose
    3. Méiose
  5. Biochimie
  6. Transport membranaire
  7. Moteurs moléculaires
  8. Voies de signalisation

Bibliographie


Les protéasomes sont des complexes enzymatiques multiprotéiques dont le rôle est de découper les protéines (protéolyse) en peptides.


Le protéasome 26S est un protéasome comprenant un CP 20S et 1 ou 2 RP 19S (Recognition and Processing of Ubiquitin-Protein Conjugates by the Proteasome 2009).

D'autres complexes régulateurs existent comme PA200/Blm10 ou le complexe 11S (REG ou PA28).

Coeur catalytique du protéasome dans les trois règnes
Le coeur catalytique du protéasome dans les trois règnes
(Figure : © vetopsy.fr)

Coeur catalytique (CP : Core Particle) : particule 20S canonique

Le 20S (700 kDa), composé de 28 sous-unités et 4 anneaux heptamériques, mesure 150 Å de long par 115 Å de diamètre et est formé de deux parties symétriques comprenant chacune (The Structure of the Mammalian 20S Proteasome at 2.75 Å Resolution 2002) :

  • Coeur catalytique 20S (CP) du protéasome
    Coeur catalytique 20S (CP) du protéasome
    (Figure : © vetopsy.fr d'après Finley)
    7 sous-unités α extérieures, sites de liaison des complexes régulateurs, qui forment une antichambre,
  • 7 sous-unités β intérieures qui forment, avec le deuxième anneau β, la chambre catalytique du complexe protéasique.

Chez les Archées, les sept sous-unités α et β sont semblables alors qu'elles sont toutes différentes chez les Eucaryotes (Structure of the Proteasome 2012).

L'assemblage du coeur catalytique est favorisé par des protéines chaperons.

Anneau α

La reconnaissance du substrat et son accès à la chambre catalytique du protéasome est régulé par l'anneau α qui est fermé (cf. translocation détaillée du substrat).

1. Le pore d'entrée des antichambres est occlus par les extrémités N-terminales des sous-unités α et empêche le substrat de pénétrer dans l'antichambre.

Cette antichambre mesure 40 Å sur 50 Å pour 59 nm3 chez T. acidophilum.

Le mécanisme de fermeture est différent pour les Archées, les bactéries (Actinomycètes) et les cellules eucaryotes.

  • Chez les archées, dont toutes les sous-unités sont identiques, les 12 résidus N-terminaux très flexibles de chaque sous-unité sont situés dans le pore et s'étendent à travers l'anneau (aussi bien dans l'antichambre qu'à l'extérieur) pour empêcher l'accès aux protéines (Dynamic Regulation of Archaeal Proteasome Gate Opening As Studied by TROSY NMR 2010).
  • Fermeture du pore
    Fermeture du pore
    (Figure : © vetopsy.fr d'après Finley et Religa)
    Chez les eucaryotes, comme toutes les sous-unités α sont différentes, ce sont les extrémités N-terminales des sous-unités α2, α3 et α4 qui interviennent dans ce processus. Les différences observées dans les Rpt de la base du complexe 19S et les interactions de leur extrémités C-terminales dans les poches entre les sous-unités α, pourraient expliquer leur rôle spécifique (cf. translocation détaillée du substrat).

2. Lors de son ouverture, après contact avec un substrat, le pore d'entrée ne fait que 13 Å de large.

Les antichambres imposent un microenvironnement qui maintient le dépliage des substrats avant leur dégradation par les sites actifs de la chambre catalytique formée par les sous-unités β (The proteasome antechamber maintains substrates in an unfolded state 2010).

Anneau β

Structure

La chambre catalytique est formée par les sous-unités β.

La chambre catalytique fait 53 Å de large pour 84 nm3 de T. acidophilum.

Le substrat doit passer par le pore étroit de l'anneau α (13 Å de large lors de son ouverture), ce qui protège, par ailleurs, les autres protéines cellulaires de toute dégradation intempestives.

Activité protéolytique

Le protéasome 26S est considéré comme une thréonine protéase.

  • Le propeptide est clivé pour révéler un résidu thréonine à son extrémité N-terminale (Thr1).
  • Au cours de la protéolyse, le polypeptide se lie au groupe hydroxyle N-terminal de la thréonine, probablement via des liaisons hydrogène. La triade catalytique (nucléophile, acide, base) est formée de Thr1, Asp17 (au lieu de Glu17 des bactéries) et Lys33.
Activité protéolytique du coeur catalytique du protéasome
Activité protéolytique du coeur catalytique du protéasome
(Figure : © vetopsy.fr d'après Marques)

Trois sites actifs sur chaque anneau, β1, β2 et β5, peuvent cliver à peu près toutes les protéines après des résidus :

  • acides (β1 à activité capsase : protéases à cystéine reconnaissant une séquence particulière sur certaines protéines et hydrolysant la liaison peptidique côté carboxyle d'un résidu d'aspartate de cette séquence),
  • basiques (β2 à activité trypsique : protéase à sérine qui clive les protéines après les acides aminés basiques, lysine ou arginine),
  • hydrophobes (β5 à activité chymotripsique : protéase à sérine qui clive les protéines après les acides aminés aromatiques ou hydrophobes tels que tyrosine, phénylalanine ou encore tryptophane). C'est la seule activité qui existe chez les Procaryotes.

Chez les eucaryotes, les ensembles complets des résidus conservés sont caractéristiques de ces centres catalytiques (cf. mécanismes catalytiques dans Catalytic Mechanism and Assembly of the Proteasome 2009).

  • Les caractéristiques des poches à protéolyse sont largement conditionnées par le résidu 45 : Arg (basique), Gly (apolaire) et Met (apolaire), respectivement pour β1, β2 et β5.
  • La plupart des inhibiteurs protéasomaux se lient à β5, agissant donc sur l'activité chymotrypsine, sans modifier les deux autres.

La protéolyse est facilitée par la translocation qui fait avancer le substrat dans la chambre catalytique grâce aux pales du moteur ATPasique formés par les boucles des domaines AAA des Rpt de la base du complexe régulateur.

Alternatives au CP canonique

On peut noter différentes variantes au sein du coeur catalytique chez les Vertébrés, en particulier dans les sous-unités β.

Protéasomes des Mammifères
Protéasomes des Mammifères - les sous-unités grises sont identiques au protéasome canonique -
(Figure : © vetopsy.fr)

Dans les spermatoprotéasomes (testis-specific) des Mammifères, associés à la protéine PA200, c'est uniquement l'unité α4 qui est modifiée en α4s : ce protéasome semble avoir un rôle dans la dégradation des histones pendant la spermatogenèse (Acetylation-Mediated Proteasomal Degradation of Core Histones during DNA Repair and Spermatogenesis 2013).

Chez la Drosophile, les sous-unités modifiées du spermatoprotéasome sont plus nombreuses (α3/4/6t, β2/4/5r).

Complexe régulateur (RP : Regulatory Particle)

Biologie cellulaire et moléculaireMembrane plasmiqueNoyauCytoplasme
Réticulum endoplasmiqueAppareil de GolgiMitochondries
EndosomesLysosomesPeroxysomesProtéasomes
CytosqueletteMicrofilaments d'actineFilaments intermédiairesMicrotubules
Matrice extracellulaireReproduction cellulaireBiochimieTransport membranaire
Moteurs moléculairesVoies de signalisation

Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014