Protéines
Chaperonnes moléculaires
Hsp90 et chaperonines

Famille Hsp90

Les Hsp90 (Heat shock protein 90) constituent une famille très conservée de chaperonnes moléculaires, appartenant aux protéines de choc thermique (Hsp ou Heat-Shock Protein), dépendantes de l'ATP, particulièrement abondantes dans le cytosol.

Structure de Hsp90

Les Hsp90 fonctionnent principalement sous forme d'homodimère (Insights into the Allosteric Regulation of Human Hsp90 Revealed by NMR Spectroscopy 2024).

1. Chaque monomère comprend trois grands domaines :

• un domaine N-terminal (NTD), qui contient le site de liaison à l'ATP,
• un domaine médian (MD), qui participe notamment à la liaison des protéines clientes et à l'activité ATPasique,
• un domaine C-terminal (CTD), responsable de la dimérisation et portant le motif conservé MEEVD chez les Hsp90 cytosoliques eucaryotes.

2. La fixation puis l'hydrolyse de l'ATP entraînent une succession de changements conformationnels du dimère qui permettent la maturation et la stabilisation des protéines clientes.

Cycle fonctionnel et cochaperonnes de Hsp90

Le cycle fonctionnel des Hsp90 est régulé par de nombreuses cochaperonnes, qui contrôlent différentes étapes du cycle ATPasique, le recrutement des protéines clientes ou leur maturation.

Le mode de prise en charge des protéines clientes et l'intervention des différentes cochaperonnes varient notamment selon la nature de la protéine cliente.

1. Le cycle fonctionnel général de Hsp90 peut être décrit à partir de la prise en charge initiale de certaines protéines clientes par le système Hsp70-JDP/Hsp40, suivie de leur transfert vers Hsp90 grâce notamment à HOP (The HSP90 Family: Structure, Regulation, Function, and Implications in Health and Disease 2018).

A. Une protéine cliente dans une conformation instable ou partiellement repliée peut d'abord être prise en charge par Hsp70, assistée d'une JDP/Hsp40, qui stimule l'hydrolyse de l'ATP en ADP, stabilisant ainsi la liaison de la protéine cliente à Hsp70.

B. HIP (Hsp70-interacting protein ou ST13), cochaperonne de Hsp70/Hsc70, interagit avec son domaine de liaison aux nucléotides et stabilise l'état lié à l'ADP, permettant de prolonger la liaison de la protéine cliente à la chaperonne. à Hsp70.

C. Hsp90 se présente sous une conformation ouverte, dans laquelle les domaines C-terminaux assurent la dimérisation tandis que les domaines N-terminaux restent séparés.

D. HOP/STIP1 rapproche Hsp90 du complexe Hsp70-client en interagissant avec les régions C-terminales de Hsp70 et Hsp90 grâce à ses domaines TPR, permettant la formation d'un complexe intermédiaire Hsp70-HIP-HOP-Hsp90-client.

E. La protéine cliente est transférée de Hsp70 vers Hsp90.

• Le complexe Hsp70-JDP/Hsp40-HIP-HOP est libéré.
• Des immunophilines à domaine TPR, notamment FKBP51 et FKBP52, peuvent alors se fixer au motif C-terminal MEEVD de Hsp90 et participer à la maturation de certaines protéines clientes, notamment des récepteurs aux hormones stéroïdes.

F. La fixation de l'ATP favorise la fermeture du dimère Hsp90 par rapprochement de ses domaines N-terminaux.

G. p23/PTGES3 stabilise l'état fermé de Hsp90 lié à l'ATP,

H. L'hydrolyse de l'ATP entraîne la libération de la protéine cliente mature et le retour de Hsp90 à sa conformation ouverte.

2. La prise en charge des protéines kinases présente cependant des particularités liées notamment à Cdc37, cochaperonne spécialisée qui accompagne ces protéines clientes au cours de leur interaction avec Hsp90 (Cochaperones convey the energy of ATP hydrolysis for directional action of Hsp90 2024).

a. Dans le modèle étudié avec la kinase Ste11, différents sous-complexes associant Hsp90, Cdc37 et Ste11 s'assemblent et se dissocient à l'équilibre.

En présence d'ATP, l'intervention conjointe de Cdc37, Aha1 et Sba1, homologue de p23 chez la levure, permet de coupler l'utilisation de l'ATP à une progression orientée du cycle conformationnel de Hsp90.

b. L'hydrolyse de l'ATP permet ensuite la dissociation du complexe et le recyclage de ses composants.

Protéines clientes et fonctions de Hsp90

Hsp90 prend en charge de nombreuses protéines clientes, dont elle favorise la maturation, la stabilité et le maintien dans une conformation fonctionnelle, et intervient ainsi dans de nombreux processus cellulaires.

1. De nombreuses protéines kinases dépendent de Hsp90 pour leur maturation, leur stabilité et le maintien de leur activité fonctionnelle.

ULK1/Atg1, kinase majeure de l'initiation de l'autophagie, constitue un exemple d'interaction fonctionnelle avec Hsp90 (activation du complexe ULK).

Lors de l'activation de l'autophagie, ULK1/Atg1 phosphoryle Hsp90, ce qui inhibe son activité ATPasique, favorise la dissociation du complexe Hsp90-ULK1/Atg1 et contribue à l'activation d'ULK1/Atg1, essentielle à l'initiation de l'autophagie.

2. Hsp90 participe à la maturation et au maintien dans un état fonctionnel de nombreux récepteurs nucléaires aux hormones stéroïdes, récepteurs des androgènes, des œstrogènes, de la progestérone, des glucocorticoïdes et des minéralocorticoïdes.

3. Hsp90 participe à la régulation de certains facteurs de transcription impliqués dans les réponses cellulaires au stress  :

• HSF1, principal facteur de transcription de la réponse au stress protéotoxique (Heat shock protein 90: biological functions, diseases, and therapeutic targets 2025),
  • En conditions basales, Hsp90 contribue au maintien de HSF1 dans un état réprimé.
  • Un stress protéotoxique favorise son activation et l'expression de nombreuses protéines de choc thermique, notamment Hsp70 et Hsp90.
• HIF-1α, facteur de transcription majeur de la réponse à l'hypoxie, dont Hsp90 contribue à la stabilité et à l'activité.

4. Hsp90 participe à l'assemblage et à la maturation de différents complexes multiprotéiques, notamment des complexes piRNA (ARN associés aux PIWI), en favorisant les changements conformationnels des protéines PIWI et leur chargement en pré-piRNA.

Chaperonines

Les chaperonines sont des complexes chaperons oligomériques qui favorisent le repliement de protéines dans une chambre centrale relativement isolée du milieu cytosolique et dont le cycle fonctionnel dépend de la fixation et de l'hydrolyse de l'ATP.

Les chaperonines sont réparties en deux grands groupes selon leur organisation structurale et leur mécanisme de fermeture de la chambre de repliement.

• Les chaperonines de groupe I, auxquelles appartient le système mitochondrial Hsp60/HSPD1-Hsp10/HSPE1, utilisent une cochaperonine distincte, Hsp10, qui forme le couvercle de la chambre.
• Les chaperonines de groupe II, auxquelles appartient la chaperonine cytosolique TRiC/CCT, possèdent un couvercle intégré à leurs sous-unités.

Chaperonine TRiC/CCT

TRiC/CCT (TCP-1 ring complex ou chaperonin containing TCP-1), chaperonine du groupe II, est la principale chaperonine du cytosol des cellules eucaryotes.

Elle participe au repliement d'un ensemble spécifique de protéines, parmi lesquelles l'actine et les tubulines constituent des substrats majeurs (The structural basis of eukaryotic chaperonin TRiC/CCT: Action and folding 2024).

1. TRiC/CCT forme un complexe constitué de deux anneaux superposés délimitant une chambre centrale dans laquelle les protéines clientes peuvent se replier à l'abri d'interactions inappropriées avec d'autres protéines cytosoliques.

a. Chaque anneau comprend huit sous-unités différentes, CCT1 à CCT8, disposées selon un ordre déterminé.

Cette organisation hétéro-oligomérique confère au complexe une asymétrie structurale et fonctionnelle qui participe à la reconnaissance et au repliement de ses protéines clientes.

b. Chaque sous-unité comprend trois domaines :

• un domaine équatorial, qui contient le site de liaison à l'ATP et participe aux interactions entre les deux anneaux,
• un domaine intermédiaire,
• un domaine apical, impliqué notamment dans la reconnaissance des protéines clientes, qui portent des extensions qui constituent un couvercle intégré.

c. Les changements conformationnels des sous-unités permettent ainsi à TRiC/CCT d'alterner entre :

• une conformation ouverte, dans laquelle la chambre est accessible aux protéines clientes, e
• une conformation fermée qui les confine dans la chambre de repliement.

d. Les huit sous-unités présentent des propriétés différentes, notamment dans leurs interactions électrostatiques avec les protéines clientes et leur affinité pour l'ATP. Cette hétérogénéité contribue au fonctionnement coordonné de TRiC/CCT.

2. Le repliement des protéines clientes par TRiC/CCT peut être décrit en quatre grandes phases.

a. La reconnaissance de la protéine cliente peut notamment faire intervenir la préfoldine (PFD), une cochaperonne qui reconnaît des régions hydrophobes exposées et limite ainsi les interactions inappropriées et l'agrégation de la protéine.

La préfoldine est un complexe cochaperon oligomérique constitué de six sous-unités.

• Sa structure caractéristique présente des extensions en forme de tentacules qui délimitent une cavité centrale et permettent la capture de protéines clientes non complètement repliées.
• Elle coopère notamment avec TRiC/CCT pour le repliement de protéines du cytosquelette telles que l'actine et les tubulines.

b. Le transfert de la protéine cliente vers TRiC/CCT est assuré par son interaction avec les domaines apicaux de certaines sous-unités CCT, qui permettent son entrée dans la chambre centrale de la chaperonine.

c. Le repliement de la protéine cliente est favorisé par la fixation et l'hydrolyse de l'ATP, qui entraînent des changements conformationnels coordonnés des sous-unités CCT et la fermeture de la chambre.

La protéine cliente est ainsi confinée dans un environnement protégé qui favorise son repliement.

d. La libération de la protéine cliente repliée accompagne la réouverture de la chambre au cours du cycle ATP-dépendant. Si son repliement n'est pas achevé, elle peut être soumise à de nouveaux cycles de prise en charge par TRiC/CCT.

Hsp60/HSPD1 et Hsp10/HSPE1, système chaperon mitochondrial

Hsp60/HSPD1, chaperonine du groupe I, et sa cochaperonine Hsp10/HSPE1 constituent le principal système de chaperonine de la matrice mitochondriale.

1. Hsp60 forme des anneaux qui délimitent une chambre centrale dans laquelle peuvent être prises en charge des protéines non complètement repliées (Asymmetric apical domain states of mitochondrial Hsp60 coordinate substrate engagement and chaperonin assembly 2024).

• Hsp10 agit comme un couvercle qui ferme cette chambre et permet d'isoler temporairement la protéine cliente du milieu matriciel.
• La fixation et l'hydrolyse de l'ATP contrôlent l'association de Hsp10 et les changements conformationnels de Hsp60.
• La protéine cliente peut ainsi se replier dans la chambre protégée avant sa libération.

2. Dans la matrice mitochondriale, ce système intervient notamment dans le repliement de protéines après leur import, en coopération avec les autres chaperonnes mitochondriales, notamment mtHsp70/HSPA9.