Protéines Chaperonnes : Repliement et Pathologies

I - Repliement des protéines

Le repliement des protéines est un processus physique non aléatoire par lequel une protéine acquiert sa conformation native tridimensionnelle, essentielle à sa fonction biologique. Cette conformation est principalement déterminée par la séquence primaire de la protéine. Des mutations, notamment les faux sens, peuvent altérer cette conformation et, par conséquent, la fonction protéique.

L'état replié est stabilisé par diverses liaisons :

• Liaisons hydrogènes : entre atomes des chaînes latérales, du squelette peptidique ou de molécules d'eau.
• Liaisons ioniques (ponts salins) : entre résidus de charges opposées (ex: arginine et aspartate).
• Liaisons électrostatiques : interactions non covalentes de type pi-pi et cation-pi via la délocalisation des électrons dans les cycles aromatiques.
• Liaisons de Van der Waals : attractions et répulsions à courte distance entre atomes.
• Liaisons covalentes : ponts disulfures intracaténaires.
• Effet hydrophobe : les résidus hydrophobes forment des régions hydrophobes, entraînant une réduction des surfaces entre l'eau et ces zones, et une augmentation de l'entropie de l'eau libérée.

Le repliement est énergétiquement favorable, malgré une augmentation de l'ordre, grâce à la diminution des contraintes hydrophobes et aux interactions favorables au sein de la protéine. La structure native correspond à l'état énergétique le plus stable, avec les acides aminés hydrophobes orientés vers l'intérieur et les hydrophiles vers le cytosol.

Le repliement est un processus spontané et rapide, non aléatoire, lié à la structure primaire.

Modèles de repliement

Il existe plusieurs modèles pour décrire le repliement des protéines :

• Modèle du repliement séquentiel hiérarchique :
  1. Nucléation.
  2. Formation rapide de structures secondaires.
  3. Formation de structures super-secondaires, puis de domaines.
  Chaque étape stabilise les éléments formés précédemment, justifiant des états intermédiaires.
• Modèle de diffusion-collision :
  1. Ensemble de conformations aléatoires initiales.
  2. Formation de structures secondaires transitoires qui diffusent et s'entrechoquent.
  3. Formation d'intermédiaires stables par rencontre des microdomaines transitoires.
  4. Interaction des multi-domaines intermédiaires pour former la structure native (modèle framework).
• Modèle de l'effondrement hydrophobe :
  1. Formation d'une structure compacte basée sur un cœur hydrophobe enfoui.
  2. Formation de structures secondaires et d'états intermédiaires (molten globule).
• Modèle de Nucléation-Condensation :
  1. Formation d'une hélice transitoire avec repliement et dépliement de la structure tertiaire autour.
  2. Échantillonnage de nombreuses conformations et stabilisation d'une forme proche de la structure native autour de l'hélice.
  3. Stabilisation simultanée de certaines interactions secondaires et tertiaires, favorisant la condensation.
• Modèle de Jigsaw Puzzle : Existence de multiples chemins de repliement menant à une solution unique.
• Modèle unifié du repliement (principalement étudié) : Le repliement passe par de nombreux intermédiaires de conformation. Certains peuvent être stables et interagir, formant des agrégats toxiques. Les protéines doivent se replier lors de leur synthèse et après une dénaturation.

II - Dénaturation des protéines par un élément stressant

Le stress (températures ou pH extrêmes, faible concentration en oxygène, détergents, mutations) peut entraîner une dénaturation de la protéine. Il s'agit d'une modification réversible ou irréversible de la conformation native tertiaire, sans rupture des liaisons covalentes (sauf ponts disulfures) ni modification de la structure primaire.

A - Les différents mécanismes de repliement

Deux mécanismes principaux aident au repliement des protéines :

• Mécanisme enzymatique (dans la lumière du réticulum endoplasmique, utile lors de la synthèse) :
  • PDI (Protein Disulfide Isomerase) : catalyse la formation des ponts disulfures intramoléculaires.
  • PPI (Peptidyl-Prolyl Isomerase) : convertit les liaisons peptidiques X-Pro (trans en cis), important pour la formation des coudes.
• Mécanisme impliquant les protéines chaperonnes :
  • Les protéines chaperonnes empêchent l'agrégation des chaînes mal repliées et favorisent leur progression vers la conformation native en brisant les liaisons incorrectes.
  • Elles appartiennent à la famille des protéines de choc thermique (Hsp), classées par expression (constitutive ou inductible), masse moléculaire (ex: Hsp40) ou localisation subcellulaire.

Principales protéines chaperonnes (eucaryotes/procaryotes) :

• Hsp70 (DnaK)
• Hsp60 (GroE)
• Hsp40 (DnaJ)
• TRiC (GroEL)
• CCT (GroES)

Deux systèmes complémentaires de chaperonnes existent :

1. Système des "Holdases" (DnaK/Hsp70) :
   • Rôle dans le repliement, le transport transmembranaire, la réactivation de protéines endommagées, et la prévention de l'agrégation des protéines naissantes.
   • Nécessite de l'ATP.
2. Système GroEL/ES (procaryotes) ou TRiC/CCT (eucaryotes) ou "Foldases/chaperonines" :
   • Permet le repliement des protéines si le système des holdases n'a pas suffi.
   • Nécessite également de l'ATP.

Le repliement est très énergivore. En cas d'échec, la protéine mal repliée est dégradée pour limiter la consommation d'ATP.

Situations générales :

• Procaryotes :
  • 70% des cas : repliement rapide et sans aide, avec l'aide du TF (trigger factor).
  • 20% des cas : intervention du système DnaJ/DnaK (holdases) pour "tenir" les protéines.
  • 10% des cas : transfert au système GroEL/ES (foldases) pour repliement.
• Eucaryotes :
  • 70% des cas : repliement sans aide.
  • 20% des cas : intervention du système des holdases (complexe ribosomal RAC, Hsp70, Hsp40). Hsp90 peut être nécessaire.
  • 10% des cas : intervention du système des foldases (préfoldine achemine la protéine vers le complexe TRiC/CCT).

B - Fonctionnement général du système des Holdases (ou système Hsp70 ou système DnaK)

Les gènes des Hsp (gènes de stress) possèdent un promoteur avec des HSE (heat shock element) qui lient des HSF (Heat Shock Factors), des facteurs de transcription.

• En temps normal, Hsp70 est liée à HSF dans le cytoplasme.
• En cas de stress (dénaturation protéique), Hsp70 et HSF se dissocient :
  • Hsp70 se lie aux protéines dénaturées pour prévenir leur agrégation.
  • HSF est transloqué dans le noyau, se fixe aux HSE (3 nécessaires) et active la synthèse de chaperonnes.
• Si un bon repliement a lieu spontanément, les Hsp se détachent, Hsp70 récupère HSF et retourne au cytoplasme.

Mécanisme du système DnaK :

Le système DnaK est composé de trois protéines :

• DnaK (Hsp70) : lie les protéines dénaturées et l'ATP.
• DnaJ (Hsp40) : hydrolyse l'ATP lié à DnaK et fixe aussi les protéines dénaturées.
• GrpE (NEF - Nucleotide Exchange Factor) : régénère le complexe DnaK-ATP.

Séquence des réactions en cas de protéine dénaturée :

1. DnaJ (Hsp40) lie la protéine dénaturée.
2. DnaK (Hsp70) liée à l'ATP n'a pas d'affinité pour les protéines dénaturées.
3. DnaJ hydrolyse l'ATP lié à DnaK.
4. DnaK liée à l'ADP a une forte affinité pour les protéines dénaturées.
5. Formation d'un complexe DnaJ-DnaK-protéine dénaturée, évitant l'agrégation.
6. GrpE (NEF) échange l'ADP par de l'ATP, entraînant la dissociation du complexe.

Ce cycle est un système intermédiaire qui empêche l'agrégation des protéines mal repliées. Ensuite, la protéine peut refaire un cycle, être prise en charge par le système GroEL/ES, être dégradée, ou s'agréger.

C - Le système des Foldases/chaperonines ou système TRiC/CCT (GroES/EL)

Après libération par le système DnaK, la protéine peut être prise en charge par GroEL/ES. Ce système, très dépendant de l'ATP, vise à replier la protéine (contrairement à DnaK qui la "tient").

• GroEL : Tonneau homoheptamérique (2 couronnes séparées par une plaque équatoriale) avec 3 régions :
  1. Région apicale : interagit avec GroES et les protéines mal repliées.
  2. Région intermédiaire.
  3. Région équatoriale : lie l'ATP.
• GroES : Anneau unique de 7 sous-unités, fermant une extrémité de GroEL (le "couvercle").

Mécanisme du système GroEL/ES :

1. Initialement, GroEL est lié à 2 ATP, ses parois intérieures sont hydrophobes.
2. La protéine dénaturée (exposant ses AA hydrophobes) entre dans GroEL par interactions hydrophobes.
3. GroES enferme la protéine dénaturée dans GroEL (effet cage).
4. Hydrolyse des ATP.
5. Exposition d'AA hydrophiles sur les parois intérieures de GroEL.
6. La protéine, piégée, est contrainte de se replier correctement et de masquer ses résidus hydrophobes pour atteindre un état énergétique stable.
7. GroES se sépare de GroEL, libérant la protéine. GroES se fixe ensuite sur le second anneau de GroEL où une nouvelle protéine endommagée s'est fixée, et le cycle recommence.

Ce système est très consommateur d'ATP. Si la protéine libérée est toujours dénaturée, elle peut refaire un cycle ou être dégradée.

Chez les eucaryotes, un système comparable existe, appelé TRiC/CCT/Préfoldine.

D - Couplage chaperonnes - dégradation des protéines

Les mécanismes de repliement étant énergivores, la cellule peut préférer dégrader une protéine dénaturée. L'échec du repliement peut être dû à une arrivée massive de chaînes polypeptidiques, un stress du RE, des mutations, un dysfonctionnement de la translocation, ou des mutations somatiques/germinales.

Si la dégradation est nécessaire, la protéine est poly-ubiquitinylée, signal d'adressage au protéasome 26S qui la dégrade en acides aminés.

Étapes de l'ubiquitinylation :

1. Activation de l'ubiquitine (Ub) par l'enzyme E1 (ubiquitin-activating enzyme) en présence d'ATP (liaison thiol-ester avec le groupe carboxyle C-terminal de Ub).
2. Transfert de l'Ub sur l'enzyme E2 (ubiquitin-conjugating enzyme).
3. Reconnaissance de la protéine mal repliée par l'E3 (ubiquitine ligase) et complexation avec E2 pour transférer l'Ub sur la protéine cible.
4. Poly-ubiquitination : un facteur d'élongation E4 facilite l'élongation de la chaîne d'ubiquitine.

L'ubiquitination permet l'adressage au protéasome.

Mécanisme d'adressage au protéasome :

La protéine BAG-6 (Bcl2 associated) reconnaît les protéines mal repliées.

1. Le complexe hétérotrimérique BAG6 (BAG6, TRC35, UBL4A) fixe les protéines exposant des résidus hydrophobes et interagissant avec les chaperonnes Hsp70/90.
2. Ubiquitination par l'E3 ligase RNF126.
3. Adressage au protéasome 26S par interaction avec la sous-unité RPN13 du protéasome 19S.

Ces étapes ont lieu dans le cytosol. Si la protéine mal repliée est dans le réticulum endoplasmique (RE), une translocation vers le cytoplasme est nécessaire via les systèmes ERAD :

• ERAD-L : pour les protéines dans la lumière du RE.
• ERAD-M : pour les protéines à la membrane du RE.
• ERAD-C : pour les protéines fixées à la membrane du RE côté cytosol.

Les systèmes ERAD-L et ERAD-M communiquent. ERAD-C est indépendant.

Mécanisme ERAD (pour protéines dans la lumière ou membrane du RE) :

• Reconnaissance : La protéine mal repliée est reconnue et fixée par des lectines (OS9, XTP3B) capables de se lier à un oligosaccharide démannosylé. OS9 interagit avec le complexe Hrd1 à la membrane du RE.
• Transfert au complexe Hrd1 et ubiquitination : La fixation à Hrd1 initie l'ubiquitination.
• Formation d'un complexe de dislocation : Implique p97 pour la rétrotranslocation de la protéine dans le cytoplasme et l'hydrolyse de l'ATP pour sa libération.
• Une fois dans le cytoplasme, la chaîne d'ubiquitine est allongée pour l'adressage final au protéasome 26S.

Mécanisme ERAD-C (pour protéines du RE avec partie cytosolique mal conformée) :

• Le complexe protéique Doa10 reconnaît la protéine mal repliée.
• Doa10 permet le transfert dans le cytoplasme et l'ubiquitination de la protéine, qui est ensuite adressée au protéasome.

III - Rôle délétère des protéines Hsp dans certains cas : exemple de HSP70

A - Rôle oncogène de Hsp70

Hsp70 est normalement exprimée à bas niveau, prévenant les agrégats. Les cellules cancéreuses, accumulant des mutations et des protéines mal conformées, stimulent la production de Hsp70 (stress cellulaire). Cette surexpression de Hsp70 favorise la survie, la formation de métastases et l'agressivité des cellules cancéreuses. Hsp70 est souvent abondante dans les tumeurs.

Hsp70 inhibe l'apoptose par divers mécanismes (récepteurs, voies de signalisation, protéines mitochondriales, régulateurs de l'apoptose). Elle inhibe également la sénescence cellulaire, stabilise la membrane du lysosome et interagit avec Hsp90 pour influencer la division cellulaire.

B - Échappement à la surveillance immune par Hsp70

Les cellules tumorales surexprimant Hsp70 peuvent l'exprimer à leur membrane ou la produire via des exosomes. Ces exosomes, porteurs de Hsp70, peuvent se fixer sur les récepteurs TLR2 de cellules suppressives du système immunitaire. Cela active ces cellules, réduisant la réponse immunitaire contre les cellules tumorales.

Une approche thérapeutique actuelle est le développement d'inhibiteurs des Hsp. Ces anticancéreux peuvent :

• Inhiber la fixation de l'ATP (domaine N-terminal).
• Inhiber la fixation à la protéine dénaturée (domaine C-terminal).
• Bloquer le mécanisme d'activation des cellules immunosuppressives par Hsp70.

Des inhibiteurs de Hsp90 sont aussi utilisés comme anticancéreux, parfois en combinaison avec des siRNA ciblant Hsp70.

IV - Conclusion

De nombreux systèmes permettent le repliement des protéines mal conformées (naissantes ou dénaturées) et préviennent leur agrégation. Les deux systèmes essentiels abordés sont :

• Le système DnaK (Hsp70, Hsp40, GrpE), ou système des holdases, qui évite l'agrégation des protéines dénaturées.
• Le système GroEL/ES, ou système des foldases, qui permet le repliement des protéines dénaturées.

De nombreuses maladies (prions, amyloses) sont dues à l'agrégation de protéines dénaturées ayant échappé à ces systèmes. Les protéines chaperonnes ont un rôle protecteur crucial. Cependant, dans des maladies comme le cancer, elles peuvent jouer un rôle délétère en favorisant la prolifération cellulaire et en inhibant l'apoptose.