Complexe SCF (Skp1/Culline/F-box)
Protéines F-Box : récepteurs des substrats

Vue d'ensemble des protéines F-box

Les protéines F-box (FBP) constituent la grande famille de récepteurs de substrats du complexe SCF (Skp1-Culline1-F-box), jouant un rôle central dans la reconnaissance des phospho-dégrons et la régulation de l’homéostasie protéique.

Elles assurent la connexion spécifique entre :

• les signaux en amont (phosphorylation dépendante des cyclines/CDK, CK1, GSK3β, MAPK),
• la dégradation ciblée des régulateurs du cycle cellulaire, des voies mitogéniques, du métabolisme et de la réponse au stress.

Structure des protéines F-Box

Les protéines F-box ou FBP, composées de 430 à 1000 acides aminés, comptent plus de 90 membres chez l’Homme (The F-box protein family 2000).

Les caractéristiques structurales des F-box reposent sur une organisation bipartite qui assure la spécificité de reconnaissance des substrats.

1. Le domaine F-box conservé, d'environ 40 aa environ, à l'extrémité N-terminale, est constitué de 3 hélices α situées à l’extrémité N-terminale des protéines F-Box.

Ce domaine assure la liaison avec Skp1, qui connecte la protéine F-box à la charpente du complexe SCF.

Remarque : ce domaine est indispensable à l’assemblage du SCF, mais n’intervient pas dans la reconnaissance du substrat, qui dépend de la région C-terminale de la protéine F-box.

2. La région C-terminale héberge les domaines structuraux responsables de la reconnaissance des substrats phosphorylés, i.e. phospho-dégrons, modules qui déterminent la sélectivité du SCF (The FBXL family of F-box proteins: variations on a theme 2020) :

• des répétitions riches en leucine (LRR : leucine-rich repeat), typiquement chez les FBXL comme Skp2,
• des répétitions WD, caractéristiques des FBXW comme β-TrCP,
• des motifs spécifiques des FBXO.

Ces domaines forment des surfaces β-propeller ou solénoïdes flexibles, idéales pour capter des motifs phosphorylés tout en permettant une dissociation rapide après ubiquitination.

Classification des
protéines F-box

Les protéines F-box se répartissent en trois familles structurales, selon la nature du domaine C-terminal impliqué dans la reconnaissance des substrats.

Famille FBXL
(F-box Leucine-rich)

Les protéines F-box de la famille FBXL possèdent des répétitions riches en leucine (LRR : leucine-rich repeat) formant un solénoïde flexible en fer à cheval adapté à l’interaction avec des motifs phosphorylés.

On peut citer des exemples.

1. Skp2 (FBXL1) est une F-box formant un solénoïde en fer à cheval qui reconnaît spécifiquement les CKI phosphoryléesrégule la dégradation de p27^KIP1 et p21^CIP1, permettant la progression du cycle cellulaire en phase S.

• Elle cible p27^KIP1, p21^CIP1 et p57^KIP2, permettant l’activation du complexe cycline E/CDK2 et l’engagement en phase S.
• Skp2 participe également à la dégradation de la cycline D1 et de plusieurs facteurs réplicatifs, assurant la montée en puissance du programme G1/S.
• Son contrôle par APC/C^Cdh1 en G1 précoce et sa stabilisation ultérieure illustrent son rôle central dans la transition proliférative (Skp2: A critical molecule for ubiquitination and its role in cancer 2024)..

2. FBXL5 contrôle la stabilité d’IRP2, assurant ainsi l’homéostasie du fer.

Famille FBXW (F-box WD40)

Les protéines F-box de la famille FBXW présentent des répétitions WD organisées en β-propeller, structure circulaire formée de feuillets β favorisant la reconnaissance précise des phospho-dégrons.

1. β-TrCP (β-Transducin repeat containing protein) en est la F-box la plus représentative.

Son domaine WD40 en β-propeller reconnaît des phospho-dégrons de type DSGxxS, générés par des phosphorylations CK1 puis GSK3β (β-TrCP dégron).

a. Elle intervient dans plusieurs voies majeures :

• voie Wnt/β-caténine, en ciblant la β-caténine phosphorylée pour dégradation,
• voie NF-κB, en éliminant IκBα phosphorylée, et en contrôlant ainsi l’activation transcriptionnelle,
• cycle cellulaire, assurant la synchronisation SCF ↔ APC/C en ciblant :
  • EMI au début de la prophase,
  • Cdh1 phosphorylée en fin de G1, assurant la synchronisation SCF ↔ APC/C.

b. β-TrCP occupe ainsi une position centrale à l’interface entre prolifération, inflammation et stabilité du cycle, et son dérèglement contribue à de nombreuses pathologies, notamment tumorales.

Remarque : la F-Box FBXW11 (β-TrCP2) intervient dans la voie Hedgehog.

2. FBXW7 contrôle l’équilibre entre prolifération, différenciation et stabilité génomique en ciblant plusieurs régulateurs clés des substrats phosphorylés sur CPD (Cdc4 phospho-degron), motif souvent généré par GSK3β, i.e. facteurs pro-S et pro-prolifératifs (FBXW7: a critical tumor suppressor of human cancers 2018) :

• la cycline E, dont la dégradation limite le passage G1/S et prévient le stress réplicatif,
• c-Myc, dont l’élimination régule la croissance et la transcription,
• NICD (Notch Intracellular Domain), modulant l’activité de la voie Notch et la différenciation cellulaire.

Famille FBXO (F-box Others)

Les protéines F-box de la famille FBXO regroupent les F-box non canoniques, i.e. ne possédant ni LRR ni répétitions WD, mais des domaines C-terminaux variés assurant la reconnaissance de substrats non conventionnels.

1. On peut citer des exemples.

• FBXO32 (Atrogin-1) dégrade des composants contractiles et plusieurs cofacteurs transcriptionnels impliqués dans l’atrophie musculaire.
• FBXO4 cible la cycline D1 et participe à sa régulation en phase G1.
• FBXO7 intervient dans l’activation de la parkine et certaines voies neuroprotectrices.

2. La cycline F (CCNF) représente un cas particulier de la famille FBXO (Ubiquitin Signaling in Regulation of the Start of the Cell Cycle 2018).

• Bien qu’elle possède la signature F-box permettant son association au complexe SCF, elle se distingue par la présence de deux boîtes à cycline caractéristiques de sa famille.

• 

  Contrairement à ces dernières, elle ne s’associe à aucune CDK, mais agit comme adaptateur SCF dont la fonction principale relève du complexe SCF^{cycline F}, impliqué dans la régulation de substrats liés au cycle cellulaire et à la stabilité génomique.

Mécanisme des F-Box

1. La reconnaissance des substrats par les F-box repose sur la lecture de phospho-dégron générés par des kinases telles que cyclines/CDK, CK1, GSK3β ou MAPK ( substrats phosphorylés de SCF).

La région C-terminale de la F-box stabilise ce motif phosphorylé et oriente géométriquement le substrat pour permettre l’attaque de l’E2~Ub par le module CUL1-Rbx1.

2. Le cycle d'échange des F-box permet au SCF d’adapter rapidement son spectre de substrats.

Elle dépend de l’alternance dynamique :

• déneddylation par le CSN (COP9 Signalosome) qui rend CUL1 inactif et accessible à CAND1,
• association de CAND1, qui libère la F-box en place et autorise l’entrée d’un nouveau récepteur,
• re-neddylation, qui réactive instantanément le SCF avec sa nouvelle F-box, ajustée au signal cellulaire.

Rôle biologique des protéines F-box et implications pathologiques

1. Les protéines F-box orchestrent la reconnaissance spécifique des substrats au sein du complexe SCF, jouant ainsi un rôle central dans :

• le cycle cellulaire (p27^KIP1, p21^CIP1, cycline D1, EMI1),
• les voies de signalisation (β-caténine de la voie Wnt, IκBα de NF-κB, le facteur circadien CRY),
• la réplication de l’ADN via le contrôle du licensing (CDC6),
• la réponse au stress à travers plusieurs membres de la famille FBXO engagés dans la gestion des dommages à l’ADN et du stress métabolique.

Chaque F-box traduit un signal amont en une décision de dégradation.

2. Leur dérégulation perturbe directement la dynamique d’ubiquitination dépendante du phospho-dégron et contribue à de nombreuses pathologies :

• oncogénèse, par surexpression de Skp2 ou β-TrCP (F-Box Proteins and Cancer 2020).
• instabilité du cycle cellulaire, par altération du ciblage des inhibiteurs de CDK ou des régulateurs de la répartition chromosomique,
• pathologies neurodégénératives, notamment certaines formes familiales de SLA associées aux mutations de la cycline F (CCNF).

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