Constituants cellulaires : protéasome 26S
Structure du coeur catalytique 20S (CP : Core Particle)

Les protéasomes sont composés par :

• un coeur catalytique 20S (CP : Core Particle) en forme de tonneau, creux, à 4 anneaux heptamériques, dans lequel les protéines pénètrent par un pore étroit et sont plus ou moins dégradées (cf. protéolyse du substrat) ;
• deux complexes régulateurs (RP : Regulatory Particle) en règle générale, à activité ATPasique, placés de chaque côté de celui-ci, contenant des sites actifs et des sites de liaison à l'ubiquitine pour la reconnaissance des protéines polyubiquitinées (cf. acceptation du substrat) et leur transfert vers la chambre catalytique (cf. engagement et translocation du substrat).

Le protéasome 26S est un protéasome comprenant un CP 20S et 1 ou 2 RP 19S (Recognition and Processing of Ubiquitin-Protein Conjugates by the Proteasome 2009).

D'autres complexes régulateurs existent comme PA200/Blm10 ou le complexe 11S (REG ou PA28).

Coeur catalytique (CP : Core Particle) : particule 20S canonique

Le 20S (700 kDa), composé de 28 sous-unités et 4 anneaux heptamériques, mesure 150 Å de long par 115 Å de diamètre et est formé de deux parties symétriques comprenant chacune (The Structure of the Mammalian 20S Proteasome at 2.75 Å Resolution 2002) :

• 

  7 sous-unités α extérieures, sites de liaison des complexes régulateurs, qui forment une antichambre,
• 7 sous-unités β intérieures qui forment, avec le deuxième anneau β, la chambre catalytique du complexe protéasique.

Chez les Archées, les sept sous-unités α et β sont semblables alors qu'elles sont toutes différentes chez les Eucaryotes (Structure of the Proteasome 2012).

L'assemblage du coeur catalytique est favorisé par des protéines chaperons.

Anneau α

La reconnaissance du substrat et son accès à la chambre catalytique du protéasome est régulé par l'anneau α qui est fermé (cf. translocation détaillée du substrat).

1. Le pore d'entrée des antichambres est occlus par les extrémités N-terminales des sous-unités α et empêche le substrat de pénétrer dans l'antichambre.

Cette antichambre mesure 40 Å sur 50 Å pour 59 nm³ chez T. acidophilum.

Le mécanisme de fermeture est différent pour les Archées, les bactéries (Actinomycètes) et les cellules eucaryotes.

• Chez les archées, dont toutes les sous-unités sont identiques, les 12 résidus N-terminaux très flexibles de chaque sous-unité sont situés dans le pore et s'étendent à travers l'anneau (aussi bien dans l'antichambre qu'à l'extérieur) pour empêcher l'accès aux protéines (Dynamic Regulation of Archaeal Proteasome Gate Opening As Studied by TROSY NMR 2010).

• 

  Chez les eucaryotes, comme toutes les sous-unités α sont différentes, ce sont les extrémités N-terminales des sous-unités α2, α3 et α4 qui interviennent dans ce processus. Les différences observées dans les Rpt de la base du complexe 19S et les interactions de leur extrémités C-terminales dans les poches entre les sous-unités α, pourraient expliquer leur rôle spécifique (cf. translocation détaillée du substrat).

2. Lors de son ouverture, après contact avec un substrat, le pore d'entrée ne fait que 13 Å de large.

Les antichambres imposent un microenvironnement qui maintient le dépliage des substrats avant leur dégradation par les sites actifs de la chambre catalytique formée par les sous-unités β (The proteasome antechamber maintains substrates in an unfolded state 2010).

Anneau β

Structure

La chambre catalytique est formée par les sous-unités β.

La chambre catalytique fait 53 Å de large pour 84 nm³ de T. acidophilum.

Le substrat doit passer par le pore étroit de l'anneau α (13 Å de large lors de son ouverture), ce qui protège, par ailleurs, les autres protéines cellulaires de toute dégradation intempestives.

• D'une part, l'activité protéolytique du protéasome est cloisonnée à l'intérieur de son enveloppe protéique, un peu à l'instar d'un compartiment cellulaire comme celui des mitochondries.
• d'autre part, les sous-unités β1, 2, 5, 6 et 7 possèdent un domaine propeptide qui doit être clivé lors de l'assemblage du coeur catalytique pour que le système se mette en place (The Ubiquitin–Proteasome System of Saccharomyces cerevisiae 2012).

Activité protéolytique

Le protéasome 26S est considéré comme une thréonine protéase.

• Le propeptide est clivé pour révéler un résidu thréonine à son extrémité N-terminale (Thr1).
• Au cours de la protéolyse, le polypeptide se lie au groupe hydroxyle N-terminal de la thréonine, probablement via des liaisons hydrogène. La triade catalytique (nucléophile, acide, base) est formée de Thr1, Asp17 (au lieu de Glu17 des bactéries) et Lys33.

Trois sites actifs sur chaque anneau, β1, β2 et β5, peuvent cliver à peu près toutes les protéines après des résidus :

• acides (β1 à activité caspase : protéases à cystéine reconnaissant une séquence particulière sur certaines protéines et hydrolysant la liaison peptidique côté carboxyle d'un résidu d'aspartate de cette séquence),
• basiques (β2 à activité trypsique : protéase à sérine qui clive les protéines après les acides aminés basiques, lysine ou arginine),
• hydrophobes (β5 à activité chymotripsique : protéase à sérine qui clive les protéines après les acides aminés aromatiques ou hydrophobes tels que tyrosine, phénylalanine ou encore tryptophane). C'est la seule activité qui existe chez les Procaryotes.

Chez les eucaryotes, les ensembles complets des résidus conservés sont caractéristiques de ces centres catalytiques (cf. mécanismes catalytiques dans Catalytic Mechanism and Assembly of the Proteasome 2009).

• Les caractéristiques des poches à protéolyse sont largement conditionnées par le résidu 45 : Arg (basique), Gly (apolaire) et Met (apolaire), respectivement pour β1, β2 et β5.
• La plupart des inhibiteurs protéasomaux se lient à β5, agissant donc sur l'activité chymotrypsine, sans modifier les deux autres.

La protéolyse est facilitée par la translocation qui fait avancer le substrat dans la chambre catalytique grâce aux pales du moteur ATPasique formés par les boucles des domaines AAA des Rpt de la base du complexe régulateur.

Alternatives au CP canonique

On peut noter différentes variantes au sein du coeur catalytique chez les Vertébrés, en particulier dans les sous-unités β.

• Dans les immunoprotéasomes (cellules hématopoïétiques), des variantes β1i (LMP2/PSMB9), β2i (MECL-1/PSMB10) et β5i (LMP7/PSMB8) - LMP, Large Multifunctional Peptidase, PSMB, Proteasome Subunit Beta, PMECL, Multicatalytic Endodopeptidase Complex-Like, sont exprimées en réponse à des signaux inflammatoires (cytokines, en particulier interférons γ et TNF-α) et contribuent à la création de peptides antigéniques (Proteasomes in immune cells: more than peptide producers? 2009 et The immunoproteasome in antigen processing and other immunological functions 2013 et New Insights into the Function of the Immunoproteasome in Immune and Nonimmune Cells 2015). En outre, le complexe régulateur 19S est remplacé par le complexe 11S.
• Dans les thymoprotéasomes, on trouve, outre β1i et β2i, une sous-unité β5t qui joue un rôle dans la sélection des lymphocytes-tueurs CD8+ (Regulation of CD8 + T Cell Development by Thymus-Specific Proteasomes 2007).

Dans les spermatoprotéasomes (testis-specific) des Mammifères, associés à la protéine PA200, c'est uniquement l'unité α4 qui est modifiée en α4s : ce protéasome semble avoir un rôle dans la dégradation des histones pendant la spermatogenèse (Acetylation-Mediated Proteasomal Degradation of Core Histones during DNA Repair and Spermatogenesis 2013).

Chez la Drosophile, les sous-unités modifiées du spermatoprotéasome sont plus nombreuses (α3/4/6t, β2/4/5r).

Complexe régulateur (RP : Regulatory Particle)