Dégradation des protéines
Dégrons N-terminaux
Voies N-end rule et C-end rule

Les voies N-end rule et C-end rule constituent les exemples les plus emblématiques de dégrons terminaux, illustrant comment la nature chimique d’un simple acide aminé en position extrême, i.e. N- ou C-terminale, peut réguler avec une grande précision la stabilité, l’ubiquitination et le devenir d’une protéine.

Certaines protéases, comme les caspases ou les calpaïnes, exposent après clivage un nouveau résidu N-terminal reconnu par la voie Arg/N-end rule, reliant ainsi l’activation protéolytique à la dégradation sélective des substrats.

Dégrons N-terminaux et voie N-end rule

Vue d'ensemble

La voie N-end rule représente un modèle canonique de dégradation dépendante des dégrons, fondé sur la reconnaissance de l’acide aminé situé à l’extrémité N-terminale comme déterminant majeur de la demi-vie protéique en déclenchant son ubiquitination et sa dégradation ciblée par le protéasome.

Le signal de dégradation N-terminal est appelé N-dégron (The mammalian N-end rule pathway: new insights into its components and physiological roles 2007).

1. Le principal déterminant d'un N-dégron est un résidu soit modifié, soit non modifié.

2. Un pro-N-dégron (précurseur d'un N-dégron) est une séquence spécifique ou une conformation d'une chaîne de polypeptide qui peut être clivée ou modifiée pour produire un résidu N-terminal déstabilisant. Pour cela, les résidus sont classés en :

• Nd^p pour primaires : résidu N-terminal déstabilisant ou résidu N-terminal non modifié directement reconnu par une N-recognin,
• Nd^s pour secondaires : résidu dont la déstabilisation nécessite une modification préliminaire comme l'arginylation N-terminale par exemple (Posttranslational arginylation as a global biological regulator 2011 et Protein arginylation, a global biological regulator that targets actin cytoskeleton and the muscle 2014). Dans cette optique, l'ubiquitine peut être considérée comme un N-dégron secondaire (Discovery of Cellular Regulation by Protein Degradation 2008),
• Nd^t pour tertiaires : résidu dont la déstabilisation nécessite deux modifications préliminaires.

Branches de la règle du N-terminal

Chez les Eucaryotes, la voie de la règle N-terminale se compose de deux branches.

Ac/règle N-terminale (Ac/N-end rule)

1. L'Ac/règle N-terminale (Ac/N-end rule), présente aussi chez les Procaryotes, cible les protéines contenant les résidus Nα-terminaux acétylés, qui sont des ^Ac N-dégrons, comme :

• la méthionine (M),

• 

  de petits résidus non chargés comme l'alanine (A), la valine (V), la sérine (S), la thréonine (T) ou la cystéine (C).

a. Ces derniers résidus deviennent N-terminaux après l'enlèvement cotraductionnel de la Met par les Met-aminopeptidases (N-Terminal Acetylation of Cellular Proteins Creates Specific Degradation Signals 2010 et The N-End Rule Pathway 2012).

• Ils peuvent alors être Nt-acétylés, i.e. acétylés sur leur extrémité N-terminale, par des Nt-acétylases (Control of protein degradation by N-terminal acetylation and the N-end rule pathway 2018).
• Ce sont donc des Nd^s (secondaires), car ils doivent être acétylés pour être reconnus par l'E3 ubiquitine ligases.

b. Il semble que cette Nt-acétylation soit irréversible, contrairement aux autres acétylations internes dans lesquelles des déacétylases peuvent inverser le processus.

Certains résidus sont rarement Nt-acétylés comme la glycine (G) ou la proline (P).

2. Ces protéines Nt-acétylées sont ciblées pour la dégradation par le protéasome 26S par ubiquitination par la E3 ubiquitine ligase DOA10 qui fait partie ddu système ERAD ou ER-associated degradation (The yeast ERAD-C ubiquitin ligase Doa10 recognizes an intramembrane dégron 2015).

Arg/règle N-terminale (Arg/N-end rule)

1. L'Arg/règle N-terminale (Arg/N-end rule) implique la reconnaissance par les N-recognins E3 ubiquitine ligases (Posttranslational Arginylation as a Global Biological Regulator 2011 et The Substrate Recognition Domains of the N-end Rule Pathway 2009).

a. L'arginylation peut être N-terminale des substrats protéiques, i.e. aspartate, glutamate et cystéine oxydée.

b. Elle peut concerner des résidus non modifiés qui sont des Nd^p (primaires) comme les précédents :

• basiques dits de type 1, arginine, lysine, histidine,
• hydrophobes volumineux dits de type 2, non modifiés, i.e. leucine, isoleucine, phénylalanine, tryptophane et tyrosine.

2. L'aspartate, le glutamate et la cystéine doivent d'abord être arginylés par la R-transférase (Arg-tRNA-protein transferase) comme ATE1 ou ATEL1 (The N-End Rule Pathway 2012), i.e. ce sont donc des Nd^s (secondaires).

L'asparagine et la glutamine doivent d'abord être converties par une Nt-aminidase en Asp et Glu, et la cystéine oxydée en présence de NO et d'oxygène, avant d'être arginylées comme précédemment: ce sont donc des Nd^t (tertiaires).

Remarque : chez les bactéries, la Leu/règle N-terminale implique la Nt-leucylation des substrats protéiques par des L-transférases spécifiques et aussi le ciblage des gros résidus N-terminaux hydrophobes par la ClpS N-recognin, protéine adaptatrice qui fournit les substrats bactériens à la protéase ClpAP dépendante de l'ATP (The ClpS-like N-domain is essential for the functioning of Ubr11, an N-recognin in Schizosaccharomyces pombe 2014).

Cette règle N-terminale n'implique pas l'ubiquitination chez les Procaryotes.

3. Les N-recognins (N-recognin) sont des ligases E3 spécialisées, i.e. UBR 1/2/4/5, qui détectent et lient sélectivement les N-dégrons via des domaines fonctionnels :

• UBR-box pour les N-dégrons de type I,
• N-domaines pour ceux de type II.

Autres voies N-end-rule spécialisées

La Pro/N-end rule et la Gly/N-end rule, de découverte récente, sont des sous-voies distinctes de la voie N-end rule, qui fonctionnent sur le même principe général, i.e. la nature de l’acide aminé N-terminal détermine la stabilité de la protéine.

1. La Pro/N-end rule cible des protéines présentant une proline en position N-terminale, souvent après un clivage protéolytique (An N-end rule pathway that recognizes proline and destroys gluconeogenic enzymes 2017).

• 

  Elle est reconnue par la ligase GID4, sous-unité réceptrice de substrat du complexe GID/CTLH E3 ubiquitine ligase (Interconversion between Anticipatory and Active GID E3 Ubiquitin Ligase Conformations via Metabolically Driven Substrate Receptor Assembly 2020).
• Cette voie est particulièrement importante dans la régulation métabolique et dans certaines réponses au stress.

2. La Gly/N-end rule cible des protéines présentant une glycine en position N-terminale, souvent après excision du peptide signal ou de la méthionine initiatrice (A glycine-specific N-degron pathway mediates the quality control of protein N-myristoylation 2020).

• Elle est reconnue par des ligases E3 spécifiques comme
• Cette voie intervient notamment dans la surveillance de protéines mal adressées aux mitochondries ou au réticulum endoplasmique.

Dégrons C-terminaux et voie C-end rule

La C-end rule (ou voie C-dégron) repose sur le même principe conceptuel que la N-end rule, mais joue un rôle plus spécialisé et moins étendu dans la régulation protéique.

1. Les protéines portant certains C-dégrons sont reconnues par des ligases E3 spécialisées, souvent associées au complexe CUL2-RBX1.

2. Dans ce système, des protéines adaptatrices de la famille KLHDC (Kelch domain containing protein) assurent la reconnaissance spécifique des extrémités C-terminales et recrutent les substrats pour leur ubiquitination et leur adressage au protéasome 26S pour dégradation (Characteristics of the Kelch domain containing (KLHDC) subfamily and relationships with diseases 2025).

L’acide aminé situé à l’extrémité C-terminale peut être (Structural basis for C-degron selectivity across KLHDCX family E3 ubiquitin ligases 2024) :

• la glycine, motif C-terminal le plus classique, reconnu par la ligase KLHDC2,
• l'alanine, reconnue par KLHDC3, souvent dans des contextes de protéines tronquées ou à faible masse moléculaire (Convergence of mammalian RQC and C-end rule proteolytic pathways via alanine tailing 2021).
• l'arginine, cible de la ligase ZER1 (complexe CUL2-ZER1), généralement dans un contexte de motifs chargés positivement,
• la cystéine par certaines variantes de KLHDC.

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