Biologie cellulaire : peroxysomes
Vue d'ensemble et structure membranaire

• Les peroxysomes participent à la respiration cellulaire, comme les mitochondries, i.e. ils consomment de l'oxygène en employant des enzymes oxydatives.

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  Leur nom provient de la leur capacité à neutraliser le peroxyde d'hydrogène (H₂0₂) très toxique, pour produire de l’eau.

Membrane peroxysomale

Vue d'ensemble

1. La membrane des peroxysomes, proche de celle du réticulum endoplasmique (RE), contient de nombreuses protéines membranaires de toute structure pour le fonctionnement des machineries moléculaires (Protein transport into peroxisomes: knowns and unknowns 2017).

Le peroxysome doit importer des protéines pour les processus via des transporteurs membranaires ( cf. figure au-dessous et détails dans les chapitres correspondants).

2. Les peroxines (peroxisomal/peroxisome biogenesis factors), protéines membranaires codées par les gènes nucléaires PEX, sont spécifiques de la membrane peroxisomale et sont impliquées dans de nombreux processus ( tableau).

A. Importation des protéines matricielles

Ciblage des protéines matricielles

Le ciblage des protéines peroxysomales fait appel à des processus post-traductionnels dont les mécanismes exacts sont toujours débattus à l'heure actuelle (Protein transport into peroxisomes: knowns and unknowns 2017 avec une bonne biographie).

Le ciblage est le fait de signaux de ciblage peroxysomaux :

• PTS (PTS ou Peroxisomal Targeting Signal ou mPTS), de deux sortes et exclusifs l'un de l'autre, de pour les protéines matricielles,
• mPTS (membrane Peroxisome Targeting Signal) pour les protéines membranaires.

1. PTS1 est un tri-peptide C-terminal, i.e. en général SKL, (S/A/C)-(K/RL)-(L/M) d'un cargo qui est reconnu par Pex5 (Mechanism of PEX5-mediated protein import into peroxisomes 2022).

La partie N-terminale de PEX5 est intrinsèquement désordonnée et contient :

• 8 motifs pentapeptidiques, i.e. W0 (LxxF) et W1-7 (WxxxF/Y) qui interagissent interagissent avec PEX14 et certains avec PEX13 (Peroxisomal Targeting Signal Receptor Pex5p Interacts with Cargoes and Import Machinery Components in a Spatiotemporally Differentiated Manner: Conserved Pex5p WXXXF/Y Motifs Are Critical for Matrix Protein Import 2002 et A Novel Pex14 Protein-interacting Site of Human Pex5 Is Critical for Matrix Protein Import into Peroxisomes 2014).
• une cystéine conservée (cystéine 11 dans le PEX5 humain) qui permet son ubiquitination, indispensable au recyclage des du complexe protéine/récepteur,
• une région de liaison PEX7/PTS2.

La structure de la moitié C-terminale de PEX5 comprend les TPR (TetratricoPeptide Repeat) qui se lient avec PTS1 (The intrinsically disordered nature of the peroxisomal protein translocation machinery 2018).

Les TRP sont des séquences de 34 résidus d'acides aminés organisées en tandem d'hélices α répétés de 3 à 16 fois, formant des échafaudages structurant les interactions protéine-protéine et, souvent, l'assemblage de complexes protéiques.

Remarque : Hsp70 et d'autres chaperons ont un rôle dans le pliage des protéines pour l'exposition ou non des PTS et la sortie des récepteurs (Hidden localization motifs: naturally occurring peroxisomal targeting signals in non-peroxisomal proteins 2004).

2. PTS2, constitué de 9 résidus principalement basiques ou apolaires, i.e. R-(L/V/I/Q)-x-x-(L/V/I/H)-x-(H/Q)-(L/A) est N-terminal et est reconnu par Pex7 (The type-2 peroxisomal targeting signal 2020).

Le complexe Pex7-cargo nécessite des facteurs accessoires pour l'importation comme Pex5pL, une longue isoforme de Pex5p chez les mammifères (Mechanistic insights into PTS2-mediated peroxisomal protein import: the co-receptor PEX5L drastically increases the interaction strength between the cargo protein and the receptor PEX7 2015).

Remarque : ces deux séquences s'excluent mutuellement.

Importation des protéines matricielles

1. Après leur synthèse sur des ribosomes libres, les cargos subissent une modification post-transductionnelle pour contenir les signaux de ciblage peroxysomaux PTS.

• PTS1 ou PTS2 qui se lient aux récepteurs cytosoliques correspondants Pex5 ou Pex7 et forment des complexes récepteur-cargo.
• Ces récepteurs-cargos se déplacent le long des microtubules.

2. L'importation est réalisée par un ensemble complexe de protéines membranaires peroxisomales (PMP) intégrales ou périphériques qui assure :

• l'arrimage du récepteur d'importation lié au cargo au niveau de la membrane peroxysomale par Pex13 et 14 (Saccharomyces cerevisiae Pex14p contains two independent Pex5p binding sites, which are both essential for PTS1 protein import 2005),
• la translocation de la cargaison dans la matrice de l'organite due à Pex14,
• l'ubiquitination (ub) de Pex5 sur la cystéine 11 chez les mammifères (cystéine 6 chez la levure) par les E3-ligases Pex2/10/12,
• le recyclage dans le cytosol de Pex5 par un complexe AAA-ATPase Pex1/Pex6 (Functional role of the AA peroxins in dislocation of the cycling PTS1 receptor back to the cytosol 2005),
• la desubiquitination par une DUB de Pex5 pour un nouvelle importation.

B. Assemblage de la membrane et insertion des PMP

L'assemblage de la membrane et l'insertion des PMP, i.e. Protéines Membranaires Peroxisomales dépendent de Pex19, Pex3 et Pex16 (Assembly, maintenance and dynamics of peroxisomes 2016 et Towards the molecular mechanism of the integration of peroxisomal membrane proteins 2016).

Ciblage et importation des protéines membranaires

1. Les mPTS (membrane Peroxisome Targeting Signal), ciblent les PMP (Protéines Membranaires Peroxisomales), qui sont produites, comme les protéines matricielles, par des ribosomes libres .

Les PMP contiennent un ou plusieurs mPTS (membrane Peroxisome Targeting Signal), de structure variée et sans consensus à l'heure actuelle (Multiple Distinct Targeting Signals in Integral Peroxisomal Membrane Proteins 2001).

Les PMP remplissent une variété de fonctions telles que servir de composants du translocon peroxysomal, de transporteurs membranaires pour les métabolites et les ions, de machines de contrôle de la qualité ou de division des organites, de protéines redox, de molécules de signalisation, d'attaches membranaires des organites…

2. Les PMP sont triés de manière dépendante de Pex19 ou indépendante de Pex19 (Towards the molecular mechanism of the integration of peroxisomal membrane proteins 2016) :

• La classe I ou voie directe implique l'insertion membranaire de la majorité des PMP, et ce de manière dépendante de Pex19 (PEX19 is a predominantly cytosolic chaperone and import receptor for class 1 peroxisomal membrane protei 2004).
• La classe II ou voie indirecte traite l'insertion membranaire de PEX3 indépendante de PEX19 des PMP dans les cellules de mammifères, qui les dirige vers les peroxysomes via le réticulum endoplasmique (Human Peroxin PEX3 Is Co-translationally Integrated into the ER and Exits the ER in Budding Vesicles 2016).

Remarque : Pex19 a d'autres rôles ( cf. plus bas).

• D'une part, on sait, à l'heure actuelle, que de nombreux PMP se dirigent vers les peroxysomes via le réticulum endoplasmique (RE), et il vaut mieux utiliser le terme de voie indirecte (Peroxisomal Membrane Proteins Insert into the Endoplasmic Reticulum 2010).
• D'autre part, certaines PMP peuvent utiliser les deux voies : le PEX3 mammalien peut être importé directement dans les peroxysomes d'une manière dépendante de PEX16 et PEX19 (The peroxisomal membrane protein import receptor Pex3p is directly transported to peroxisomes by a novel Pex19p- and Pex16p-dependent pathway 2008).

3. Une sous-classe de PMP est constituée de protéines TA (Tail-Anchored, i.e. ancrée par la queue) qui sont des protéines membranaires intégrales avec une courte séquence C-terminale attenante à leur domaine transmembranaire simple ou TDM (How tails guide tail-anchored proteins to their destinations 2007).

Leur insertion membranaire (peroxysomale ou RE) peut être dépendante de Pex19 ou Indépendant de Pex19, peut s'effectuer (Predicting the targeting of tail-anchored proteins to subcellular compartments in mammalian cells 2017) :

• soit directement dans des peroxysomes préexistants, i.e. Fis1 ou PEX26 par la voie directe,
• soit indirectement via une insertion préalable dans des membranes d'autres compartiments subcellulaires, à partir desquels les peroxysomes sont ensuite dérivés comme le réticulum endoplasmique (RE)

Remarque : ces protéines peuvent aussi s'attacher aux membranes mitochondriales.

Pexines 19/3/16

1. Pex19 a, à la fois, un rôle de navette de récepteur de PMP et de chaperon, avec la capacité d'auto-récupération après la libération de PMP.

• Pex19 lie et stabilise les PMP nouvellement synthétisés via leur motif de reconnaissance mPTS.
• Il agit ainsi également comme un composant de contrôle de la qualité pour un repliement correct, avant de les délivrer à la membrane peroxysomale via Pex3

2. Pex3 est une protéine membranaire intégrale qui se lie à un site N-terminal différent du site de liaison Pex19/PMP.

3. Pex16, chez les vertébrés, servirait de composant d'ancrage membranaire Pex3/Pex19 dans les peroxysomes matures. Son rôle est mal connu (The peroxisomal membrane protein import receptor Pex3p is directly transported to peroxisomes by a novel Pex19p- and Pex16p-dependent pathway 2008).

Remarque : Pex3 et Pex16 ciblent le réticulum endoplasmique (biogenèse de novo des peroxysomes).

F. Transport des métabolites

Le transport des métabolites nécessite de nombreux transporteurs membranaires

1. L'absorption des acides gras est médiée par les protéines de transport ABC, i.e. ABCD1-3 chez les mammifères.

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  Les transporteurs ABC (ATP-Binding Cassette transporter), perméases, fixent l'ATP.
• Un cytochrome P450 est spécifique des peroxysomes.

2. D'autres transporteurs et protéines/enzymes membranaires sont présents :

• OCTN3, transporteur de cations organiques/carnitine 3,
• MCT1/2, transporteur de monocarboxylate 1/2,
• PMP52 (Tmem135) et PMP24 (PxmP4) appartenant à la famille Tim17,
• les membres de la famille PMP22, i.e. Mpv17, Mpv17-like (ML-P),
• mARC2 (Mosc2), composant 2 réducteur d'amidoxime mitochondrial,
• FALDH, aldéhyde gras déshydrogénase,
• FAR1, acyl-CoA gras réductase 1 (biosynthèse des éther lipides)…

Biogenèse des peroxysomes