Cours : La localisation des protéines

I) Introduction

La fonction d’une protéine dépend de sa structure tridimensionnelle, mais aussi de sa localisation à l’intérieur d’une cellule ou d’un organisme au sens large. Une cellule ne doit surtout pas être considérée comme un sac à l’intérieur duquel baignerait un ensemble de molécules biologiques, mais au contraire comme une structure hautement ordonnée dans laquelle des fonctions particulières ne peuvent s’exercer que dans des endroits particuliers. La relation entre la localisation d’une protéine et sa fonction est parfois qualifiée d’information de position. Le rôle d’une protéine est autant lié à son organisation structurale qu’à sa position précise dans la cellule. L’acquisition du rôle biologique précis d’une protéine est réalisée à travers différentes étapes Adressage : mécanismes qui dirigent une protéine vers sa destination finale.

II) Les grandes voies de l’adressage des protéines

Une des propriétés des cellules eucaryotes est d’être compartimentalisée : formée de territoires différents, subcellulaires, délimités par un système de membranes. Sur la base de cette compartimentalisation, il est possible de différencier des classes de protéines qui subiront des adressages différents. Plus précisément, on distingue :

  • - Les protéines cytosoliques : qui ne sont pas localisées dans un organite particulier, qui restent au contraire dans le cytosol. Elles peuvent avoir des fonctions catalytiques (toutes les enzymes de la glycolyse) et structurales (éléments du cytosquelette). Elles peuvent être soit entièrement libres (solubles dans le cytoplasme) mais aussi attachées à la surface interne de la membrane plasmique.
  • - Les protéines nucléaires : elles sont transportées du cytosol vers le noyau à travers les pores de l’enveloppe nucléaire. Ces protéines sont nombreuses : celles qui participent à la structure de la chromatine (les histones), les protéines de liaison de l’ADN au sens large, les protéines qui participent au maintient de l’architecture du noyau (protéines de la lamina). - Les protéines des organites semi autonomes : les organites qui possèdent leur propre information génétique, mais dont cette information n’est pas suffisante pour synthétiser toutes leurs protéines (les plastes, mitochondries). Certaines de leurs protéines sont codées par leur propre ADN et synthétisées sur place, alors que la plupart de leurs protéines sont codées par des gènes nucléaires, traduites dans le cytosol puis envoyé vers l’organite.
  • - Les protéines du système réticuloendothélial : regroupe le Réticulum Endoplasmique (RE), l’appareil de golgi, et les vésicules qui dérivent de l’appareil de golgi (lysosomes). Les protéines de ces compartiments sont synthétisées au niveau du REG puis transloquées dans le RE puis orientées vers leur destination finale par le biais de l’appareil de golgi.
  • - Les protéines sécrétées : elles sont synthétisées de la même façon que les protéines du système RE mais traversent entièrement le système pour être déversé dans le milieu extracellulaire.

Comment se fait l’adressage de ces protéines ? Le phénomène d’adressage est étudié principalement dans les années 50 à 70, grâce aux travaux de la microscopie électronique. Il existe deux grands sites de synthèse des protéines cellulaires. On observe qu’il y a beaucoup de ribosomes dans le cytosol (des polysomes = chapelets de ribosomes), et dans le REG qui porte à sa surface de nombreux ribosomes. Ces deux sites de synthèse vont permettre un premier grand tri des protéines cellulaires permettant de réparer d’une part les protéines du système RE des autres protéines cellulaires.

  • - Les protéines synthétisées par les ribosomes libres du cytosol sont toujours entièrement traduits avant d’être orienté vers leur destination finale : Adressage post traductionnel. Par défaut (en absence de signal particulier), ces protéines vont rester dans le cytosol. Pour être adressé vers une autre destination, ces protéines vont nécessiter la présence d’un signal, d’une séquence particulière qui permettra d’indiquer leur destination finale.
  • - Les protéines synthétisées par le REG pénètrent dans le réticulum alors que leur traduction n’est pas terminée, elles sont en cours de synthèse : Adressage cotraductionnel. Après cette translocation, elles vont subir un certain nombre de modifications qui vont permettre de réaliser un tri plus fin qui permettra de différencier les protéines devant rester dans le RE et les protéines destinées aux autres destinations (sécrétions…) De quelle nature sont les signaux ? Comment sont ils reconnus ?

III) Mécanismes des adressages post traductionnels

C’est toutes les protéines qui sont traduites par des ribosomes libres du cytosol. Selon leur nature, ces protéines pourront avoir 5 destinations possibles : le cytosol, les plastes au sens large, les mitochondries, le noyau, les péroxysomes (si cellules animales) ou glyoxysomes (si cellules végétales). Les signaux sont des séquences d’AA qui sont inclues dans la protéine elle-même. On les qualifie parfois de peptides de transit. - Les signaux d’adressage mitochondriaux et chloroplastiques sont constitués d’une séquence d’environ 25 AA toujours situés à l’extrémité N terminale de la protéine. - Les signaux d’adressages nucléaires sont des séquences plus courtes (7 à 9 AA) et sont des séquences internes. - Les protéines cytosoliques sont reconnues car elles n’ont aucun signal, donc restent dans le cytosol

1) L’adressage mitochondrial et plastidique

Ce sont des séquences longues à l’extrémité N terminale. On les qualifie aussi de peptide leader (quand on s’intéresse à la séquence de la protéine), ou de pré-séquence d’adressage (quand on s’intéresse à la séquence du gène). Les séquences leader des protéines destinées aux mitochondries ou aux plastes ne présentent que peu d’homologie. Aucune séquence consensus n’a pu être définie. Quand on fabrique des séquences au hasard d’une trentaine d’AA, 20% de ces séquences permettront un adressage mitochondrial. Ces séquences d’adressage sont constituées de résidus hydrophobes alternant avec des résidus basiques ou des résidus polaires non chargés. Elles sont toujours dépourvues de résidus acides. On pense que ces séquences leader sont reconnues comme des signaux d’adressage mitochondriaux/plasmidiques car elles forment une hélice amphipathique (à deux pôles différents : pole basique d’un coté, et les résidus hydrophobes de l’autre). Il a été démontré que toute l’information nécessaire à l’adressage est contenue dans cette séquence leader. Cette démonstration a été réalisée en construisant des protéines chimériques où la région leader d’une protéine mitochondriale est reliée à l’extrémité N terminale d’une protéine cytosolique.

Dans ce cas, quelque soit la protéine attachée au leader, un adressage correct pourra être observé. Inversement, si on retire la séquence leader d’une protéine mitochondriale, l’adressage n’aura plus lieu, la protéine restera cytosolique. a. Les étapes de l’adressage L’adressage d’une protéine vers la matrice d’une mitochondrie est réalisé en 5 étapes successives :

  • - Dépliement complet de la protéine. Les protéines qui ont acquis leur structure tridimensionnelle à l’issue de la traduction sont beaucoup trop compactes pour pouvoir traverser la membrane mitochondriale. Ce dépliement est réalisé par des chaperonnes (plus exactement HSP70). Cette réaction consomme de l’énergie. - Reconnaissance de la protéine dépliée par un récepteur situé sur la membrane externe de l’organite cible (ici mitochondrie) par le peptide signal.
  • - Translocation, réalisée par l’intermédiaire de canaux protéiques, facilité par la présence d’une autre chaperonne : la MHSP70. Consomme aussi de l’énergie. Elle facilite la translocation en restant fixée sur la protéine pour ne pas qu’elle se replie.
  • - Clivage du signal et sa dégradation - la séquence de la protéine est modifiée, elle se replie donc différemment de sa conformation initiale.

La cellule peut donc contrôler l’activation de la protéine grâce à ces changements de conformation dans le bon compartiment. Dans une mitochondrie, en dehors de la matrice, il y a d’autres compartiments : membrane interne, externe, espace intermembranaire. Un plaste en a encore plus : 6 destinations différentes : rubisco, membrane du thylakoïdes…. La matrice est toujours la première étape. Comment à partir de la matrice fait une protéine pour rejoindre sa destination finale ? (beaucoup de questions sans réponses à ce sujet). Exemple : Le cytochrome C mitochondrial. Il possède une région leader particulière assez longue : 61 AA. Elle peut se diviser en 2 sous régions leader (35 AA : signal d’adressage matriciel). Le clivage du premier signal permet l’activation du 2e de 25 AA qui permet l’adressage de la protéine vers sa destination finale : la membrane mitochondriale interne. Ce second signal sera clivé pour libérer le cytochrome C1 fonctionnel lorsqu’il aura atteint sa destination. Dans cet exemple : hiérarchie de séquence qui permet la localisation progressive étape par étape d’une protéine à l’intérieur d’un organite.

2) Adressage vers les peroxysomes/glyoxysomes

Les péroxysomes sont des organites spécifiques des cellules animales, alors que les glyoxysomes des cellules végétales. A l’intérieur de ces organites se trouvent de nombreuses enzymes importées sélectivement du cytosol. Ces séquences ne possèdent pas de terminaison N terminale. Elles possèdent souvent à leur extrémité C terminale une séquence de 3 AA particuliers. Selon les protéines considérées, on trouve souvent à la fin de la séquence, soit la séquence SKL (Serine Lysine Leucine), soit la séquence SKF (SL Phénylalanine). En créant des protéines chimériques portant l’une ou l’autre de ces séquences, on obtient un adressage peroxysomal ou glyoxysomal. Ces séquences ne sont pas clivées après adressage. Ce n’est donc pas ce clivage qui est responsable de l’activation de la protéine. On pense que ca vient d’une différence de pH.

3) Adressage vers le noyau

Le noyau est séparé du cytosol par une enveloppe à 2 membranes. La membrane interne est en contact avec la lamina nucléaire (squelette formé de filaments intermédiaires). La membrane externe est une différentiation du RE, ils sont en continuité. Particularité : l’enveloppe nucléaire est ponctuée de nombreux pores (3 000 pores par noyau) où des échanges continuels entre cytosol et nucléoplasmes sont réalisés. Ils permettent des échanges dans les 2 sens. Tous les ARN (m, rib, t…) synthétisés dans le noyau sont exportés dans le cytosol. Des protéines nucléaires (histones…) synthétisés dans le cytosol entrent dans le noyau. Les mécanismes qui contrôlent les échanges entre nucléoplasme et cytoplasme dépendent de la taille des molécules considérées. 3 classes de tailles :

  • - Les petites molécules (inférieures à 5000 daltons) sont capables de diffuser librement à travers la membrane nucléaire. Elle est perméable aux ions, aux nucléotides et à ces petites molécules. On peut considérer que le milieu aqueux du nucléoplasme est identique au cytoplasme.
  • - Les molécules de 5000 à 50 000 daltons diffusent vers le nucléoplasme à une vitesse inversement proportionnelle à leur taille. Il faut plusieurs heures après injection (in vitro) pour que leur concentration s’équilibre entre le cyto et nucléoplasme. Un état d’équilibre sera toujours atteint. Les petites protéines peuvent pénétrer dans le noyau par diffusion passive.
  • - Les grosses protéines (supérieures à 50 000 daltons) ne peuvent pas pénétrer dans le noyau par simple diffusion. Ces protéines nécessitent un signal spécifique pour être importé : une séquence d’AA particulière qualifiée « NLS » (Nuclear Localisation Sign). Elles sont internes, peuvent se situer en différentes régions aux fonctions de la protéine considérée. La séquence précise de ces NLS est variable. D’une façon générale, ces séquences sont constituées de 3 à 9 AA basiques. On pense que c’est la forme ou la basicité générale de ces séquences qui seraient reconnues comme signal d’adressage. Les mécanismes précis de l’import de la protéine sont encore assez spéculatifs.

Le transport s’effectue en 2 étapes distinctes :

  • • Le docking : adressage de la protéine du cytosol à l’enveloppe nucléaire
  • • La translocation : passage de la protéine à travers le pore nucléaire

Le docking est permis grâce à l’intervention de l’importine. 2 sous unités : alpha et béta. Elle reconnait la protéine qui comporte la séquence NLS par la sous unité alpha. La sous unité béta a une forte affinité pour une protéine de l’enveloppe nucléaire au niveau du pore : la nucléoporine.

La translocation fait intervenir une protéine supplémentaire au niveau du pore, qui présente une activité GTPasique. Le complexe Alpha+protéine traverse. La sous unité béta reste à l’extérieur. Ensuite, alpha ressort pour reformer le complexe alpha/béta. Ici, le signal n’est donc pas clivé. De plus, la protéine n’est jamais dépliée.

IV) Adressage cotraductionnel et transit dans le système réticuloendothélial

Toutes les protéines sécrétées, les protéines de la MP, les protéines du système RE en général sont synthétisés par les ribosomes du REG. Comment sont reconnues les protéines du système RE ? Quelles sont les modifications que ces protéines subissent ? Comment se fait le tri à l’intérieur de ce système ?

1) 1ère étape : du cytosol vers le RE

a. Mécanisme de l’adressage vers le RE

Ce sont les mécanismes de l’adressage vers le RE qui ont été les premiers étudiés. A partir des années 1970, on a pu mettre en évidence que les protéines sécrétées, quand on les synthétise in vitro en utilisant des systèmes de traduction acellulaires, avaient toujours une masse moléculaire supérieur (2 à 3000 da) par rapport à leurs homologues synthétisés in vivo. En comparant les séquences de ces 2 types protéiques, on s’est aperçu que leur différence de masse moléculaire pouvait être expliqué en grande partie par la présence d’une vingtaine d’AA supplémentaires que l’on trouve en position N terminale des protéines synthétisée in vitro. Sur cette base, l’hypothèse a été émise que les protéines destinées à la sécrétion étaient dirigées vers les membranes du réticulum grâce à cette séquence d’AA supplémentaires, puis clivée à l’issu de l’adressage 

théorie du peptide signal.

La quasi-totalité des protéines qui transitent par le système RE possèdent effectivement une séquence signal N-terminale, qui est clivée à l’issue de la translocation. Ces séquences signal sont variables d’une protéine à l’autre. Globalement, des caractéristiques communes :

  • - De 13 à 36 AA
  • - La partie N terminale du signal possède au moins un résidu chargé positivement
  • - La partie centrale : toujours des résidus très hydrophobes
  • - Le résidu en C terminal du peptide a généralement une chaine courte et neutre

On a pu facilement mettre en évidence que cette séquence signal N terminale est suffisante pour permettre l’adressage vers le RE (protéines chimériques). Quels sont les mécanismes précis de cet adressage ? Comment la protéine est transloquée ? L’adressage d’une protéine vers le RE peut être divisé en 2 étapes (comparable à l’adressage vers le noyau) :

  • - Docking : La traduction commence dans le cytosol : les ribosomes synthétisant une chaine polypeptidique portant une séquence signal sont reconnus et aiguillés vers les membranes du RE.
  • - Translocation : La traduction continue/reprend et la chaine polypeptidique en cours d’élongation traverse la membrane du RE

b. Le docking

L’orientation d’une chaine polypeptidique dont la traduction vient juste de commencer vers le RE est réalisée grâce à l’intervention d’un complexe particulier : le complexe SRP (Signal Recognition Particule). C’est une structure macromoléculaire qui peut être isolé sous forme d’un complexe 11S qui mesure environ 24 nm de longueur sur 6nm de diamètre. Il est constitué par l’assemblage de 6 chaines polypeptidiques différentes et d’un petit ARN 7S qui comprend environ 300 nucléotides et qui forme le squelette de la particule. Il est indispensable à l’auto-assemblage du complexe SRP. Ce complexe a 2 caractéristiques :

  • - Capable de reconnaitre les peptides signaux des protéines en début de synthèse
  • - Capable de reconnaitre un récepteur situé sur la membrane du RE

Ce complexe possède donc une double capacité de reconnaissance qui lui permet de lier les protéines destinées au RE et de les amener à la bonne destination. La liaison de la particule SRP sur le polypeptide s’effectue très tôt en cours de traduction, juste quand le peptide signal a été fabriqué. Cette liaison va provoquer un arrêt ou un fort ralentissement de l’élongation (= de la traduction). Les récepteurs SRP sont des récepteurs membranaires constitués de 2 sous unités alpha (grosse : 68 kda) et béta (petite : 30kd). La grosse sous unité alpha présente la capacité de lier du GDP quand elle est libre et de lier du GTP quand elle est liée à la SRP. C’est la reconnaissance du récepteur par le complexe SRP qui va provoquer un échange de GTP à la place du GDP. La forme GTP du récepteur présente une forte affinité pour la SRP, et va donc se lier étroitement à SRP. Cette liaison SRP / Récepteur va entrainer une diminution de l’affinité de SRP pour le peptide signal, ce qui permet de libérer ce peptide signal, ce qui conduit à une reprise de la traduction qui va permettre la translocation du polypeptide vers les cavités du RE. Le GTP est alors hydrolysé en GDP, l’affinité du SRP pour le récepteur diminue, ce qui permet le relargage du SRP qui est à nouveau disponible pour un cycle de docking.

c. La translocation

C’est le passage du polypeptide en cours de traduction à travers la membrane du RE. On croyait que ce transfert se faisait à travers la bicouche lipidique directement. En fait, la translocation fait appel à un mécanisme à plusieurs protéines membranaires : la machinerie de translocation (= le translocon). Ils forment des canaux protéiques capables de s’ouvrir et se ferme, l’ouverture n’ayant lieu qu’au moment de la translocation. La translocation d’une protéine dans le RE n’est pas forcément totale. Toutes les protéines constitutives des membranes du système RE de même que toutes les protéines de la membrane plasmique ne sont pas déversé dans la lumière du RE mais restent encrées dans la membrane au cours de leur translocation. A l’issue de leur adressage vers le RE, et au cours de leur transit dans le système RE, les protéines vont subir un certain nombre de modifications qui vont leur permettre d’acquérir leur conformation fonctionnelle = réaction de maturation des protéines. Elles vont avoir lieu dans 2 compartiments : le RE et l’appareil de golgi.

La maturation des protéines dans le RE est réalisé en 3 étapes qui on lieu simultanément :

  • o Clivage du signal
  • o Repliement de la protéine
  • o Fixation de groupements polysaccharidiques sur certains AA = réaction de glycosylation

i) Le clivage du signal

Réalisé par un complexe de 5 protéines qualifiées de Signal Peptidase. Localisé en face luminale de la surface du RE. Assure la coupure du signal dès son entrée dans la lumière du RE. Le clivage du signal au bon site de coupure est uen condition sine qua none au repliement correct de la protéine.

ii) Le processus de repliement

Les chaines polypeptidiques qui arrivent dans la lumière du RE ne se replient pas immédiatement mais se lient à des protéines : les chaperonines, qui les maintiennent dépliées jusqu’à la fin de la translocation. Leur intervention est nécessaire pour 3 raisons :

  • - Comme dans le cas de la translocation à travers la membrane mitochondriale, elles permettent de favoriser la translocation en tirant les protéines vers la lumière du RE.
  • - Dans la mesure où la translocation est progressive, les chaperonnes empêchent un repliement prématuré de la protéine qui aurait toutes les chances d’être incorrectes tant que la structure primaire est encore incomplète
  • - La liaison des chaperonnes favorise le repliement en empêchant les interactions illicites entre chaines polypeptidiques voisines. La principale chaperonine : la protéine BIP (Binding Protein) qui ressemble beaucoup à la mHSP70 mitochondriale. De plus, la lumière du RE contient d’autres protéines responsables du repliement, tel que la protéine disulfure isomérase qui accélère le repliement en catalysant la formation des ponts disulfures, d’autres protéines comme des protéines qui vont conduire à la construction de chaines oligosaccharidiques fixées sur des sites particuliers de la chaine polysaccharidique. Les réactions de glycosylation sont importantes dans les processus de maturation.

iii) Les glycosylations

Une des caractéristiques principales de toutes les protéines qui transitent dans le RE est qu’elles sont glycosylées. Les glycoprotéines sont générées par l’addition de groupements oligosaccharidiques, soit au niveau du groupement NH2 de certains résidus d’Asparagine (on parlera d’oligosaccharide N-lié) soir au niveau des groupements OH de certains résidus Sérine, Thréonine ou Hydroxylysine (on parlera d’oligosaccharide O-lié). Les N glycosylations sont initiées dans le RE et sont complétés dans l’Appareil de Golgi. Les O glycosylations n’ont lieu que dans l’appareil de golgi (jamais dans le RE), nous les traiterons plus loin dans ce cours. Quel que soit le type de protéine considérée, quelque soit sa composition oligosaccharidique finale, les étapes de glycosylation qui ont lieu dans le réticulum sont toujours identiques. La 1ère étape consiste toujours en l’addition d’un groupement oligosaccharidique, comportant 14 résidus osidiques : 2 résidus de N acétyl glucosamine, 9 mannoses et 3 glucoses. Le squelette du groupement oligosaccharidique est formé sur un lipide particulier : le dolicol. La construction se fait au niveau de la face cytosolique de la membrane du RE. Lorsque le squelette est complet, le dolicol bascule par flip flop du coté luminal, avec l’ensemble du squelette. Le tout est alors transféré d’un bloc vers un résidu Asparagine spécifique de la chaine polypeptidique en cours de synthèse.

Ce transfert est réalisé grâce à des enzymes particulières : des glycosyl-transférases. Tous les résidus Asp d’un polypeptide ne sont pas glycosylés. Les glycosyl-transférase ne reconnaissent comme site accepteur que les résidus Asp appartenant à la séquence Asparagine-X-sérine ou Asp-X-Thréonine, X étant n’importe quel AA sauf la proline. Ces résidus Asp sont reconnus dès que la séquence cible est exposée dans la lumière du RE, c'est-à-dire quand la chaine traverse la membrane. Cette 1ère étape de la glycosylation intervient donc avant le processus de repliement, et conditionnera fortement la structure tertiaire adoptée par la protéine. 2ème étape : Le squelette oligosaccharidique va ensuite subir des modifications à l’intérieur du RE avant que la protéine ne soit exportée vers le golgi. Ces modifications sont simples et correspondent toujours au clivage des 3 résidus glucose et de 1 à 3 résidus mannose, réalisé par des glucosidases et des mannosidases.

Ce système qui consiste à fixer une chaine à 14 résidus puis à en hydrolyser certains est un système qui permet une reconnaissance des protéines prêtes à être exporté vers l’appareil de golgi, c'est-à-dire dont la maturation dans le RE est terminée. Plus précisément ce système permet de reconnaitre les protéines non encore repliées, ou mal repliées, et de les retenir dans le RE : les protéines qui portent des résidus terminaux glucosés (avant leur clivage), c'est-à-dire celles dont le squelette oligosaccharidique est complet, sont reconnus par uen protéine membranaire : la calnexine. (sch) Tant que la protéine n’est pas correctement repliée, le squelette reste fixé à la calnexine donc au complexe membranaire dans le RE. Quand le repliement est réalisé, on a une diminution de l’affinité de la calnexine pour son substrat. La protéine peut donc se détacher de la calnexine, les gluco et mannosidases peuvent intervenir, couper les résidus glucose et mannose ce que fait perdre toute l’affinité de la calnexine pour la protéine.

2) Le golgi : centre de tri

Etape indispensable à la maturation des protéines : 2 rôles principaux

  • • Permet de compléter la glycosylation des protéines, en rajoutant des oligosaccharides O liées, et en modifiant les squelettes N liés
  • • Va permettre de trier les différents types de protéines et de les aiguiller vers leur destination finale : sécrétion constitutive, sécrétion régulée, MP, lysosomes, RE

a) Les glycosylations dans le golgi

Elles sont beaucoup plus complexes et variées que celles qui ont lieu dans le RE. 2 grands types de glycosylation sont réalisés :

  • - Addition de chaines oligosaccharidiques O liées
  • - Modification des chaines N liées

Les chaines oligosaccharidiques N liées, quand on étudie leur structure dans une protéine mature, peuvent se diviser en 2 grandes catégories :

  • - Les chaines riches en mannoses, très simples : elles correspondent à des oligosaccharides qui n’ont pas été modifiées depuis leur sortie du RE. Ces chaines riches en mannose comportent 2 résidus de N-acétyl-glucosamine et de 6 à 8 résidus mannoses
  • - Les chaines oligosaccharidiques complexes : elles ont été profondément modifié dans l’appareil de golgi par hydrolyse de résidus mannoses et addition d’autres résidus osidiques tels que du fucose, de la N-acétylglucosamine, du galactose, et de l’acide sialique. En réalité, seuls les 2 résidus de N acétylglucosamine, et les 3 résidus mannose du début de chaine subsistent, le reste est remplacé par des autres sucres. Il existe de nombreux types de chaines oligosaccharidiques complexes. On peut dresser un schéma général qui décrit leur formation au cours de leur transport dans l’appareil de golgi : (sch) Les différents changements sont complexes et vont modifier certaines propriétés de la protéine. Quel est le rôle biologique de ces glycosylations ? Souvent, la partie oligosaccharidique, par son encombrement stérique, conditionne le repliement de la protéine. Ce n’est pas son seul rôle : souvent les oligosaccharides auront un rôle en conditionnant le comportement des protéines de surface impliquées dans la reconnaissance cellulaire. Enfin, au moins dans un cas clairement identifié, la glycosylation correspond à un signal d’adressage.

b) Du golgi vers les autres destinations du système RE

Les destinations à partir de l’app de golgi sont multiples. Les protéines du golgi restent dans des saccules bien déterminées ou elles peuvent être aiguillées soit vers le RE, soit vers les lysosomes, soit la MP, soit le milieu extracellulaire. La sécrétion pourra être constitutive (continue dans le temps) ou régulée (déclenchée épisodiquement par des signaux). La sécrétion constitutive et la MP sont la destination par défaut des protéines transitant par l’appareil de golgi :

  • - Toutes les protéines solubles de la lumière de l’appareil de golgi seront continuellement sécrétées, sauf si des signaux particuliers sont présents pour les diriger vers les autres destinations
  • - Les protéines de la membrane de golgi seront continuellement aiguillées vers la MP sauf si elles possèdent des signaux pour les aiguiller vers d’autres membranes

Deux cas ont été clairement élucidés : l’adressage vers les lysosomes, et vers le RE.

i) L’adressage vers le lysosome

Ces mécanismes ont été étudiés grâce à la mucolipidose II : maladie lysosomiale héréditaire, les malades présentent un retard psychomoteur lié à la déformation du squelette. Les lysosomes contiennent de grandes inclusions de glycolipides non digérés. Les hydrolases acides nécessaires à leur dégradation sont absentes dans leurs lysosomes. Ces mêmes hydrolases acides sont retrouvées dans le sang et dans l’urine des malades. Elles sont donc normalement synthétisées, elles sont actives mais sont sécrétées au lieu d’être adressées vers les lysosomes. La mucolipidose II est donc due à un défaut d’adressage lysosomial à partir de l’appareil de golgi. En comparant la structure d’enzymes lysosomiales d’individus sains, la seule différence entre ces enzymes portait sur la constitution des chaines oligosaccharidiques : les enzymes correctement aiguillées comportent des chaines riches en mannose dont un résidu mannose a été phosphorylé. Alors que les enzymes d’individus malades ont la même séquence en AA, les mêmes chaines riches en mannose, mais aucun résidu mannose n’est phosphorylé. La phosphorylation d’un mannose sur des chaines riches en mannose est donc le signal qui dirige les enzymes lysosomiales vers leur destination à partir de l’appareil de golgi. Les glycoprotéines destinées aux lysosomes acquièrent un marqueur phosphorylé dans les saccules CIS. Chez les malades mucolipidose II, c’est l’enzyme qui est mutée, donc empêche l’acquisition du marqueur. Comment le mannose-6-phosphate est il reconnu comme signal ? La membrane de golgi possède un récepteur qui connait le M6P et qui fixe les protéines possédant ce marqueur. Les vésicules golgiennes portant ce complexe résidu-récepteur bourgeonnent à partir du saccule TRANS et fusionnent avec des vésicules pré-lysosomiales. Ayant un pH plus bas que les vésicules golgiennes, l’affinité pour le récepteur diminue, la protéine se décroche à l’intérieur des lysosomes. A ce stade, le récepteur est recyclé et retourne vers golgi.

ii) Adressage vers le RE

Toutes les protéines du système RE sont d’abord synthétisées au niveau du RE puis transferé dans golgi avant d’être expédiées vers leur destination finale. Le RE est riche en protéines endogènes, récepteurs SRP, protéines qui participent au translocon, chaperonnes…. Qu’est-ce qui les distingue des protéines qui transitent par l’appareil de golgi ? Les protéines destinées à la sécrétion n’ont aucun marqueur. Par contre, on a pu mettre en évidence que les protéines endogènes du RE (= protéines résidentes) portent un signal de rétention. Il n’est pas lié à un type de glycosylation particuliers mais à une séquence courte en AA porté par la protéine. Plus précisément la quasi-totalité des protéines résidentes du RE, que ce soit chez les animaux que chez les végétaux, se termine par la séquence C terminale KDEL (lysine, Acide Aspartique, Acide glutamique, Leucine). Si on clive cette séquence, la protéine recombinante sera sécrétée, et non retenue dans le RE. Si on accroche cette séquence à l’extrémité C terminale d’une protéine normalement sécrétée, cette protéine sera retenue dans le RE. Cette séquence KDEL n’empêche pas réellement le départ d’une protéine du RE vers Golgi, elle sert de marque de récupération. Lorsque les protéines atteignent les premiers saccules de golgi, les protéines portant une séquence KDEL seront reconnues par des récepteurs particuliers. Les complexes récepteur/protéine vont être incorporés dans des vésicules golgiennes qui vont retourner vers le RE. Par une différence de pH, modification de l’affinité du récepteur et de la protéine, la protéine se détache.

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