Constituants cellulaires : protéasome 26S
Fonctionnement : translocation du substrat

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

Une fois l'acceptation du substrat et son engagement effectué, le protéasome déplace la chaîne polypeptidique du substrat vers la chambre catalytique.

Le fonctionnement détaillé du protéasome qui suit est tiré en grande partie de l'article Deep classification of a large cryo-EM dataset defines the conformational landscape of the 26S proteasome 2014, mais aussi de nombreux autres.

Vous pouvez aussi voir deux films tirés de cet article : sur les changements de conformation vus de côté et vus du haut du protéasome.

Acceptation, engagement et translocation du substrat
Acceptation, engagement et translocation du substrat
(Figure : © vetopsy.fr d'après Unverdorben)

Translocation simplifiée du substrat

Anneau N

L'anneau OB ou N, structure rigide, est en forme d'entonnoir avec un anneau central comportant un anneau proximal (13 Å) bien plus étroit que l'anneau distal.

Fonctionnement du moteur ATPase dans la translocation
Fonctionnement du moteur ATPase dans la translocation
(Figure : © vetopsy.fr d'après Martin et Bhattacharyya)

Le dépliage du substrat est probablement le résultat d'une translocation forcée à travers cet anneau.

Anneau ATPase

Les grands domaines des domaines AAA+ contiennent deux boucles essentielles aux fonctionnement du protéasome (pore loop).

  • La boucle Ar-Φ (Aromatic-aliphatic ou pore-1 loop) - Y/F-I/L/V-G -, leur permet de se lier à la protéine, de la déplier et de la transloquer au CP : ces boucles font saillies dans le pore axial de l'anneau AAA+
  • La pore-2 loop, situé à côté de la boucle Ar-Φ, semble aussi jouer impliquer dans ces processus. Il semble qu'elle entre aussi en interaction avec le coeur catalytique.

Ces boucles s'accrochent au substrat et le font avancer comme les pales d'un moteur grâce à l'action ATPasique des Rpt dans la chambre catalytique pour leur dégradation (cf. activité protéolytique du protéasome).

Translocation détaillée du substrat

Changements lors de la translocation du substrat
Changements lors de la translocation du substrat
(Figure : © vetopsy.fr d'après Unverdorben)

Positionnement de
l'anneau ATPase

Sous-unités mis en jeu

L'anneau ATPase se positionne parallèlement au sommet de l'anneau α du coeur catalytique : translaté (≅6Å), en rotation latérale (≅8°), et moins incliné (≅-3°), ce qui aligne ces deux anneaux.

1. Les extrémités C-terminales de Rpt2, Rpt3 et Rpt5, qui contiennent le motif HbYX, restent ancrés dans leurs poches de liaison respectifs de l'anneau α, entre, respectivement, les sous-unités α3/α4, α1/α2, et α5/α6 (Molecular architecture of the 26S proteasome holocomplex determined by an integrative approach 2011 et Reconstitution of the 26S proteasome reveals functional asymmetries in its AAA+ unfoldase 2013).

Ces interactions semblent statiques et indépendantes des nucléotides liés à ces Rpt.

Par contre, il semblerait que seul le peptide activé de Rpt5 hydrolyse des substrats protéiques (Proteasomal AAA-ATPases: Structure and function 2012). Pour un autre auteur, c'est l'hydrolyse de l'ATP dans Rpt1 qui serait essentiel pour coordonner la translocation (Reconfiguration of the proteasome during chaperone-mediated assembly 2013).

Interactions anneau ATPase/anneau α
Interactions anneau ATPase/anneau α
(Figure : © vetopsy.fr d'après Park)

2. Quant aux Rpt1, 4 et 6, elles ne possèdent pas ce motif.

  • Elles sont facultatives pour la liaison base-coeur catalytique, bien que les contacts soient superficiels.
  • Rpt1 et 4 n'ont aucune action sur l'ouverture du pore central.

Rpt6 semble lui assurer la bonne position de l'anneau ATPase au sommet de l'anneau α (Reconfiguration of the proteasome during chaperone-mediated assembly 2013).

  • Il pourrait jouer un rôle dans la liaison base/coeur.
  • En effet, c'est le seul qui montre une nette spécificité pour une poche particulière (α2/α3) par rapport aux autres Rpt, et serait aussi le point de départ de l'assemblage par les protéines chaperonnes, ce qui éviterait par exemple, aux autres de se fixer à un mauvais endroit.

Conséquences

Cette liaison provoque une rotation des sous-unités et l'ouverture du pore.

Ouverture du pore (PAN)
Ouverture du pore (PAN)
(Figure : © vetopsy.fr d'après Fôrster)

1. Pour ce qui est du complexe 11S de la levure (PAN, Proteasome-Activating Nucleotidase), qui, contrairement à RP 19S, ne reconnaît pas l'ubiquitine, c'est le mouvement radial et latéral des boucles contenant Pro17 (reverse turn loop) par les boucles activatrices des extrémités C-terminales de PA26, qui les éloignent de l'entrée du pore (Structural Models for Interactions between the 20S Proteasome and Its PAN/19S Activators 2009 et The pore of activated 20S proteasomes has an ordered 7-fold symmetric conformation 2003).

Coeur catalytique 20S (CP) du protéasome
Coeur catalytique 20S (CP) du protéasome
(Figure : © vetopsy.fr d'après Finley)

2. Chez les eucaryotes, le mouvement de basculement des sous-unités α ne nécessite pas forcément la boucle d'activation, ni l'interaction avec Pro17, mais utilise plutôt les interactions de leur résidu C-terminal.

Chez les bactéries, cela se passe un peu différemment suivant trois formations distinctes (Structural basis for the assembly and gate closure mechanisms of the Mycobacterium tuberculosis 20S proteasome 2010).

Relations avec le cycle ATPasique

La liaison du nucléotide modifie la rotation entre les grands et les petits domaines AAA+ des Rpt, et expliquent le mécanisme permettant de relier le cycle ATPasique aux changements conformationnels dans l'anneau hexamérique des Rpt, à l'alignement des anneaux et, enfin à la translocation du substrat.

La force développée est de 20 à 40 pN (ClpX(P) Generates Mechanical Force to Unfold and Translocate Its Protein Substrates 2011).

Si potentiellement, 6 sites peuvent être utilisés pour la liaison de l'ATP, en règle générale, 4 sont pourvus, mais un seul permet le dépliage et la translocation de la protéine pour sa dégradation, ce qui expliquera l'asymétrie de l'anneau (Crystal structures of asymmetric ClpX hexamers reveal nucleotide-dependent motions in a AAA+ protein-unfolding machine 2009).

En outre, les réarrangements conformationnels de l'anneau ne semblent pas non plus être indispensables. Dans ClpX, l'anneau peut rester fermé sans que cela affecte beaucoup la dégradation de la protéine.

Liaison de l'anneau ATPase avec le coeur catalytique (simplifié)
Liaison de l'anneau ATPase avec le coeur catalytique (simplifié)
(Figure : © vetopsy.fr d'après Estin et Bhattacharyya)

Ces changements d'orientation de la spirale ont été aussi observés dans des hélicases - DnaB ou l'AAA+ hélicase E1 - (The Non-planar Structure of DnaB Hexamer with Its Substrates Suggests A Different Mechanism of Translocation 2012) :

  • Il semble que ce stade corresponde au stade où un substrat s'engage dans le pore central, stade long (" dwell "), environ 90% du temps, au cours duquel l'ADP est relarguée et les Rpt rechargés en ATP.
  • Le reste (10% du temps) est une phase de bouffée (" burst "), au cours de laquelle le substrat avance d'une certaine longueur à travers le pore, grâce aux pore-loop : cette progression est la conséquence des changements conformationnels coordonnés des sous-unités autour de l'anneau par l'hydrolyse rapide et progressive des différentes Rpt (High Degree of Coordination and Division of Labor among Subunits in a Homomeric Ring ATPase 2012).
  • Puis le cycle recommence jusqu'à la translocation complexe du substrat.

De nombreuses communications ont lieu sur ce sujet : ATP binding to neighbouring subunits and intersubunit allosteric coupling underlie proteasomal ATPase function 2015.

Quoi qu'il en soit, il semble que les sous-unités ATPases agissent de manière coordonnée pour hydrolyser l'ATP et ainsi propulser des substrats à travers le canal de translocation.

Reconnaissance et engagement du substrat
Acceptation, engagement et translocation du substrat
(Figure : © vetopsy.fr d'après Unverdorben)

Positionnement de l'anneau OB

L'anneau OB ou N est plus translaté de 17,5Å que l'anneau ATPase : Rpn1 se déplace de manière identique.

Les autres modifications sont minimes.


Ces processus permettent la translocation du substrat, sa désubiquitination et le recyclage de l'ubiquitine, et sa protéolyse par le coeur catalytique en oligopeptides de 7 à 8 résidus.

Fonctionnement complet du protéasome
Fonctionnement complet du protéasome
(Figure : © vetopsy.fr d'après Lander)

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