Les travaux du Dr. Rudolf Schoenhimer dans les années 1930 ont été les premiers qui ont permis de démontrer l’existence d’un recyclage (turnover) protéique (290). Dans ces années, le lysosome, par l’action des protéases acide-dépendante qu’il contient, était considéré comme le principal joueur impliqué dans cette dégradation protéique. Mais des études subséquentes ont permis de démontrer que, contre toute attente, la demi-vie de majorité des protéines n’étaient pas affectée par l’inhibition de l’alcalinisation des lysosomes. Tel que mentionné précédemment, il a fallu attendre 50 ans pour découvrir que la dégradation de la majorité des protéines cellulaires étaient sous le contrôle de l’ubiquitine et du protéasome 26S. Ce mécanisme de dégradation est connu sous le nom de « voie ubiquitine-protéasome ».
5.2.3.1.1 – Voie ubiquitine-protéasome
La voie ubiquitine-protéasome se divise en deux étapes. Premièrement, le substrat protéique, afin d’être reconnu par le protéasome, doit subir une polyubiquitination. Les études antérieures suggéraient que la chaîne d’Ubi nécessaire à cette reconnaissance devait être exclusivement de type K48, c’est-à-dire que les Ubi de la chaîne devaient être reliées entre elles par la lysine (K) 48 de l’Ubi voisine, et que cette dernière devait être composée d’au moins 4 molécules d’Ubi. Par contre, des études récentes démontrent que le protéasome accepte également d’autres types de chaînes (291,292). En effet, l’inhibition du protéasome ne provoque pas exclusivement l’accumulation de chaine-K48, mais qu’elle induit également l’accumulation de tous les autres types de chaines excepté les chaines- K63. De plus, une étude plus concrète démontre que la formation de chaines-K11 est nécessaire aux processus de dégradation impliqués dans la division cellulaire (293).
Les chaînes de poly-ubiquitines sont alors reconnues par des protéines possédant des domaines de liaison, soit les polyubiquitin-binding domains (UBDs). Certaines de ces protéines font partie intégrante du protéasome (294,295) alors que d’autres se retrouvent dans des complexes protéiques mobiles qui ont pour but de transporter les protéines jusqu’au protéasome (296,297).
L’étape suivante est la dégradation de la protéine marquée par le protéasome 26S et le démantèlement de la chaîne d’Ubi par les DUBs afin de maintenir un réservoir constant d’Ubi libres et prêtes à être utilisées par la cellule (Figure 13).
Le protéasome 26S est un large complexe multiprotéique qui dégrade les protéines en peptides et on le retrouve principalement près de l’enveloppe nucléaire, du réticulum endoplasmique et dans les corps nucléaires (299,300). Le protéasome est essentiellement composée de deux sous-unités régulatrices 19S entourant, à l’apex et à la base, la sous unité catalytique 20S (275). Les protéines qui composent les sous-unités 19S et celles qui y sont associées (ex : DUBs), permettent de reconnaître directement les protéines ubiquitinylées et d’induire leur déubiquitination, respectivement (301). De plus, le complexe 19S, grâce à
son activité ATP-dépendante, permet de déplier le substrat protéique et de le faire entrer dans la partie centrale du tunnel formé par la sous-unité 20S, qui elle est composée de quatre étages de 7 unités protéiques disposées en cercle (302). Les deux étages externes sont formées exclusivement d’unités , qui servent de « gardiens » alors que les deux étages internes, responsables du clivage protéique, sont formés d’une succession d’unités 5 (activité chymotrypsique), 3 (activité trypsique) et 1 (activité peptidyl-hydrolase). Le corps catalytique 20S est auto-suffisant (303).
Figure 13 : Schématisation du mode d’action du protéasome 26S
Illustration inspirée de (298).
5.2.3.1.1.1 – Signaux ciblant les protéines vers le protéasome
Une question majeure persiste en ce qui concerne la voie ubiquitine-protéasome. En partant du fait que le nombre d’enzyme et/ou de combinaison d’enzyme possible pouvant être utilisé est énorme, comment la spécificité et sélectivité de cette voie est-elle atteinte ? Il est clair que le type de poly-ubiquitination, en particulier les chaînes K48, joue un rôle important, mais comment est-ce que les protéines sont choisies, quel est le signal ? En fait,
il n’existe pas de réponse exacte, ni de patron d’action commun, outre le fait que la reconnaissance spécifique du substrat par une E3 est un pré requis à l’ubiquitination (275). Les possibilités sont grandes. Le substrat peut être reconnu via son extrémité NH2- terminale (N-end rule pathway) (304), par la présence d’une séquence PEST (séquence riche en proline (P), acide glutamique (D), acide aspartique (E), sérine (S) et thréonine (T)) (305,306), suite à sa phosphorylation et/ou à la phosphorylation de la E3 ligase (307,308), par la présence de protéines auxiliaires (309,310) ou en présence d’un substrat muté, anormal ou mal replié (311,312). De plus, récemment, une nouvelle classe d’E3-ligase les STUbLs (Sumo-Targeted Ubiquitin Ligase) incluant notamment la protéine RNF4, a été identifiée et elles reconnaissent spécifiquement, par leur motif SIMs, les protéines sumoylées (414,448). La sumoylation est décrite dans la section 6.3. Également, il est difficile de prédire quelle lysine du substrat subira l’ubiquitination. Les difficultés liées à cette identification proviennent du fait qu’il n’existe aucune séquence propre à l’ubiquitination, que plus d’une lysine peut être ciblée et que la ou les lysines peuvent être reconnues par plus d’une E3- ligases (202,275).
5.2.3.1.1.2 – Outils permettant l’étude de la voie ubiquitine-protéasome
Il reste donc beaucoup de mystères entourant le fonctionnement de la voie ubiquitine-protéasome, mais la communauté scientifique possède quelques outils précieux qui aident à l’étude de ce processus cellulaire complexe. En laboratoire, les chercheurs utilisent des inhibiteurs du protéasome, principalement le MG132 et la lactacystine (314,315). Leur utilisation permet d’identifier rapidement les protéines cibles et d’en étudier leur demi-vie, leur niveau/type d’ubiquitination ainsi que leur mode d’action et de régulation, permettant alors de mieux comprendre l’impact cellulaire qui en découle.
5.2.3.1.1.3 – Impacts physiologiques et pathologiques de la voie
La dégradation protéique induite par la voie ubiquitine-protéasome joue un rôle important, voir essentiel, dans la régulation de nombreux processus cellulaires. Parmi ceux-
ci, on retrouve la croissance, la différentiation, le développement et la mort cellulaire (316,317), la réponse au stress (318), la réponse immunitaire et inflammatoire (319,320), la mémoire (321), le rythme circadien (322), la modulation des récepteurs et des pores membranaires (323,324), la réparation de l’ADN (325) et la transcription (289).
On constate donc que la voie ubiquitine-protéasome est un joueur clé du contrôle cellulaire. Il n’est donc pas surprenant qu’une aberration du système soit impliquée, directement ou indirectement, dans la pathogénèse de diverses maladies (cancer, dystrophie musculaire, inflammation, certaines maladies auto-immunes, etc) et que l’inhibition de cette voie représente une cible thérapeutique de choix (326-328). C’est déjà le cas du cancer; depuis 2003, la FDA (food and drugs administration) approuve l’utilisation chez les humains du bortezomib, un inhibiteur du protéasome, dans le traitement de différents types de cancers (329). D’autres inhibiteurs du protéasome potentiels pour le traitement de diverses maladies humaines sont également à l’étude dans différents groupes de recherche, tel que des inhibiteurs naturels incluant, entre autres, la glucosamine (330,331).
5.2.3.2 – Endocytose
L’endocytose des récepteurs présents à la surface de la cellule est un processus qui permet de réguler l’activité de ces récepteurs en contrôlant l’accès à leur ligand. Une fois internalisés, les récepteurs peuvent être retournés à la membrane en vue d’une seconde activation ou être dégradés par le lysosome suite à la fusion de ce dernier avec l’endosome. De nombreux exemples de récepteurs membranaires tel que le récepteur EGFR (epidernal growth factor receptor) sont internalisés suite à leur mono, multi-ubiquitination ou poly- ubiquitination-K63 (332). Dans de nombreux cas, ces types d’ubiquitination agissent comme signal d’internalisation en vue d’une dégradation par le lysosome (333,334). De plus, plusieurs protéines adaptatrices impliquées dans l’endocytose possèdent des UBDs (ubiquitin binding domains) et leur activité est, dans la majorité des cas, régulée par leur propre mono-ubiquitination, démontrant l’importance de l’ubiquitination dans le processus d’endocytose (332).
Également, il semblerait que l’ubiquitine soit un dénominateur commun pour la dégradation, car en plus de la dégradation suite à l’endocytose ou par le protéasome, des études récentes démontrent que l’ubiquitine, plus particulièrement la poly-ubiquitination K63 et K27, joue un rôle essentiel dans l’autophagie des mitochondries (336,605).