Tableau I. Principales protéines chaperons impliquées dans la réponse cellulaire au choc thermique.

Tableau I. Principales protéines chaperons impliquées dans la réponse cellulaire au choc thermique.

La Figure 2A résume les différentes étapes de renaturation des protéines à l’issue d’un choc thermique, impliquant Hsp40, Hsp70 et la participation de polypeptides cochaperons tels que Hip, Hop et Hsp90. On perçoit très bien que la machinerie Hsp40/Hsp70 puisse être facilement saturée lors d’un afflux massif de protéines ayant une conformation aberrante. Afin d’éviter une aggrégation irréversible, l’excès de protéines altérées s’associe aux structures oligomériques de Hsp27, avec une production de réservoirs d’intermédiaires de repliement [ 7]. L’interaction des globules fondus avec les structures oligomériques de Hsp27 éviterait ainsi leur transformation en agrégats protéiques (lipofuscine) létaux pour la cellule, car résistants à la renaturation par des protéines chaperons ATP-dépendantes (Hsp70, Hsp40, Hsp90 et co-chaperons) et à la protéolyse par le système ubiquitine/protéasome. In vitro, Hsp27 possède une activité chaperon intrinsèque, mais qui est ATP-indépendante et beaucoup plus faible que celle de Hsp70.

Figure 2. Machine moléculaire de repliement des protéines altérées et son couplage au système ubiquitine/protéasome. A. Repliement des protéines altérées au cours d’un stress. Les globules fondus formés au cours d’un stress présentent des zones hydrophobes à leur surface et sont alors reconnus par Hsp40 (équivalent procaryote : Hdj-1) qui, via son domaine J, forme un complexe avec la protéine de stress majeure Hsp70 (équivalent procaryote : DnaK). Celle-ci, sous sa forme liant l’ADP, englobe alors la protéine dénaturée dans son domaine peptidique. La renaturation de la protéine substrat par Hsp70 nécessite la participation de polypeptides cochaperons tels que Hip, Hop et Hsp90. Une activation de la machinerie de repliement via le remplacement de l’ADP associé à Hsp70 par l’ATP est nécessaire pour relâcher la protéine substrat. Bag-1 est un cochaperon déstabilisant la forme ATP du complexe Hsc70/Hsp70-substrat. Enfin, certains polypeptides nécessitent une étape ultérieure de repliement par la protéine eucaryote TCP-1 ring complex (également dénommée TRiC, ou CCT). Celle-ci appartient à un groupe de protéines chaperons ayant une structure commune, les chaperonines : par exemple, Hsp60/Hsp10 (dont l’analogue procaryote est GroEL/GroES) est un analogue de TCP-1 retrouvé dans la mitochondrie (voir Figure 4). Dans des conditions où le système est saturé par un afflux massif de protéines à replier, un stockage transitoire des globules fondus est effectué par des structures oligomériques formées par les Hsp de bas poids moléculaire (type Hsp27) : ces réservoirs d’intermédiaires de repliement dirigeraient ensuite les protéines substrats vers les différentes étapes de la machinerie de repliement. Les Hsp de bas poids moléculaires sont également caractérisées par leur très grande résistance à la dénaturation, afin de rester le plus possible efficace au cours d’un stress. MAPKAPK2 : mitogen-activated protein kinase-activated protein kinase 2. B. Couplage du repliement et de la voie de dégradation des protéines ubiquitine-protéasome. Dans certaines conditions, les atteintes conformationnelles des protéines sont très graves et la cellule peut décider, via la protéine CHIP (carboxy terminus of Hsc70 interacting protein), de diriger les protéines difficiles à replier vers un couplage à l’ubiquitine et une dégradation par le protéasome 26S. Dans le cas des protéines irréversiblement oxydées (qui forment aussi des structures de type globule fondu), la dégradation se ferait plutôt via le protéasome 20S sans couplage préalable à l’ubiquitine. En effet, le protéasome 20S semble être plus résistant que son homologue 26S à une dénaturation fonctionnelle induite par une oxydation.

Figure 2. Machine moléculaire de repliement des protéines altérées et son couplage au système ubiquitine/protéasome. A. Repliement des protéines altérées au cours d’un stress. Les globules fondus formés au cours d’un stress présentent des zones hydrophobes à leur surface et sont alors reconnus par Hsp40 (équivalent procaryote : Hdj-1) qui, via son domaine J, forme un complexe avec la protéine de stress majeure Hsp70 (équivalent procaryote : DnaK). Celle-ci, sous sa forme liant l’ADP, englobe alors la protéine dénaturée dans son domaine peptidique. La renaturation de la protéine substrat par Hsp70 nécessite la participation de polypeptides cochaperons tels que Hip, Hop et Hsp90. Une activation de la machinerie de repliement via le remplacement de l’ADP associé à Hsp70 par l’ATP est nécessaire pour relâcher la protéine substrat. Bag-1 est un cochaperon déstabilisant la forme ATP du complexe Hsc70/Hsp70-substrat. Enfin, certains polypeptides nécessitent une étape ultérieure de repliement par la protéine eucaryote TCP-1 ring complex (également dénommée TRiC, ou CCT). Celle-ci appartient à un groupe de protéines chaperons ayant une structure commune, les chaperonines : par exemple, Hsp60/Hsp10 (dont l’analogue procaryote est GroEL/GroES) est un analogue de TCP-1 retrouvé dans la mitochondrie (voir Figure 4). Dans des conditions où le système est saturé par un afflux massif de protéines à replier, un stockage transitoire des globules fondus est effectué par des structures oligomériques formées par les Hsp de bas poids moléculaire (type Hsp27) : ces réservoirs d’intermédiaires de repliement dirigeraient ensuite les protéines substrats vers les différentes étapes de la machinerie de repliement. Les Hsp de bas poids moléculaires sont également caractérisées par leur très grande résistance à la dénaturation, afin de rester le plus possible efficace au cours d’un stress. MAPKAPK2 : mitogen-activated protein kinase-activated protein kinase 2. B. Couplage du repliement et de la voie de dégradation des protéines ubiquitine-protéasome. Dans certaines conditions, les atteintes conformationnelles des protéines sont très graves et la cellule peut décider, via la protéine CHIP (carboxy terminus of Hsc70 interacting protein), de diriger les protéines difficiles à replier vers un couplage à l’ubiquitine et une dégradation par le protéasome 26S. Dans le cas des protéines irréversiblement oxydées (qui forment aussi des structures de type globule fondu), la dégradation se ferait plutôt via le protéasome 20S sans couplage préalable à l’ubiquitine. En effet, le protéasome 20S semble être plus résistant que son homologue 26S à une dénaturation fonctionnelle induite par une oxydation.

Après leur couplage à l’ubiquitine, les protéines sont dégradées par un complexe protéique porteur d’activités protéolytiques majeures, le protéasome 26S [ 10– 11] (→)

(→) m/s 2005, n° 2, p.141.

Celui-ci est une protéase latente, activée par la présence de protéines oxydées [ 12] ou par des complexes protéiques accessoires pouvant s’associer de part et d’autre du protéasome. Le complexe 19S s’associe ainsi au protéasome 20S pour former une structure globale de 26S impliquée dans la dégradation de protéines ayant été ubiquitinylées [9] soit en fin de vie, soit lorsqu’elles ont acquis, lors d’un stress, une conformation aberrante non réparable par les chaperons. En effet, ces protéines sont probablement reconnues par les Hsp, mais, vu l’étendue des dégâts, la machinerie de reconformation « passe la main » au système de couplage de l’ubiquitine via la protéine CHIP. Les considérations énergétiques ont sûrement une grande importance lorsque la cellule choisit entre repliement ou dégradation du substrat : il est probablement plus rentable et moins hasardeux pour la cellule de dégrader et resynthétiser une protéine très endommagée plutôt que d’essayer de la replier au prix d’une consommation très élevée d’ATP.

L’inhibition des activités du protéasome par des substances spécifiques (type lactacystine) induit une agrégation et une oxydation des protéines cellulaires non dégradées [ 13]. Ces agrégats sont constitués de protéines en fin de vie qui s’accumulent dans la cellule sous forme ubiquitinylée [ 14]. L’inhibition du protéasome s’accompagne également de la synthèse de Hsp70, dans un phénomène qui représente probablement une réponse de défense de la cellule pour freiner l’accumulation d’agrégats protéiques ; de fait, l’inhibition de la synthèse de Hsp70 via une technique antisens augmente l’intensité de l’apoptose subséquente à l’inhibition du protéasome [ 15]. L’accumulation progressive de protéines oxydées et agrégées s’observe également au cours du vieillissement [ 16]. Cette dégénérescence résulte probablement d’un mauvais fonctionnement du système de dégradation des protéines oxydées ou de la machinerie de reconformation impliquant les Hsp [ 17] ; une inhibition graduelle des activités protéolytiques du protéasome a notamment été démontrée au cours du vieillissement des organismes [ 18], sans que les mécanismes impliqués dans cette altération fonctionnelle n’aient encore pu être élucidés.

Les relations directes entre Hsp et protéasome sont assez complexes et encore peu connues : Hsp90 semble ainsi inhiber les activités protéolytiques du protéasome 20S, mais également les protéger contre une inhibition par oxydation [ 19]. Cette dualité de fonctions dépend en fait de l’état basal d’activation du protéasome 20S, l’inhibition étant liée à l’état latent de la protéase.

La protéine Hsp90 est, quant à elle, caractérisée par un niveau d’expression élevé dans la cellule non stressée, suggérant son implication dans de nombreux processus indépendants de son activité de repliement après à un stress. En effet, Hsp90 est impliquée dans le transport cytoplasmique de précurseurs protéiques ou de récepteurs hormonaux ainsi que dans certains aspects de la transduction des signaux [ 24]. Par ailleurs, un analogue de Hsp90, Grp94 (ou endoplasmine), agit de concert avec BiP dans le réticulum endoplasmique. Hsp90 joue également un rôle fondamental en redonnant un repliement normal (et un phénotype sauvage) à de nombreuses protéines mutées [ 25] : cette activité particulière de Hsp90 permet le masquage de nombreuses mutations (Figure 3). Celles-ci peuvent toutefois devenir effectives si Hsp90 est non fonctionnelle, par exemple en cas d’inhibition par la geldanamycine, ou lorsque la cellule est exposée à un stress : dans ces conditions, il est en effet probable que la fraction de Hsp90 constitutivement exprimée s’associe aux Hsp nouvellement synthétisés afin de lutter contre l’accumulation de protéines mal conformées, et certaines mutations sont alors démasquées.

Figure 3. La protéine Hsp90 comme masqueur de mutation. Certaines mutations altèrent la fonction des protéines en déstabilisant leur repliement. La protéine Hsp90 exprimée constitutivement reconnaît ces protéines mutées et peut les replier et restaurer transitoirement leur fonction : ces mutations sont donc masquées et deviennent silencieuses. Chez la drosophile, un traitement par la geldanamycine (inhibiteur de Hsp90) ainsi que l’invalidation hétérozygote Hsp90−/+ induisent l’apparition d’un grand nombre de phénotypes mutés. En condition de stress, Hsp90 participe au travail de repliement des protéines altérées et peut relâcher son efficacité au niveau du masquage des mutations.

Figure 3. La protéine Hsp90 comme masqueur de mutation. Certaines mutations altèrent la fonction des protéines en déstabilisant leur repliement. La protéine Hsp90 exprimée constitutivement reconnaît ces protéines mutées et peut les replier et restaurer transitoirement leur fonction : ces mutations sont donc masquées et deviennent silencieuses. Chez la drosophile, un traitement par la geldanamycine (inhibiteur de Hsp90) ainsi que l’invalidation hétérozygote Hsp90−/+ induisent l’apparition d’un grand nombre de phénotypes mutés. En condition de stress, Hsp90 participe au travail de repliement des protéines altérées et peut relâcher son efficacité au niveau du masquage des mutations.

Les chaperonines Hsp60 et Hsp10 sont également caractérisées par un niveau élevé d’expression dans la cellule non stressée. Localisées dans la mitochondrie sous forme d’un complexe, ces protéines sont impliquées dans le transport des protéines mitochondriales codées par le noyau et synthétisées dans le cytoplasme. Le transport dans la mitochondrie fait intervenir un homologue constitutif de Hsp70 (Hsc70) qui a pour but de déplier et de rendre linéaires les polypeptides en question afin qu’ils puissent pénétrer dans cet organite. à l’intérieur de la mitochondrie, le repliement des protéines est sous le contrôle d’un homologue mitochondrial et constitutivement exprimé de Hsp70 (Hsp70m) et du complexe Hsp60/Hsp10 [ 26] (Figure 4).

Figure 4. Machinerie chaperon impliquée dans le transport des polypeptides à travers la membrane des mitochondries. Certaines protéines mitochondriales (ou du chloroplaste chez les plantes) sont codées par des gènes nucléaires et, via un peptide signal, sont adressées vers l’organite concerné. La protéine synthétisée dans le cytoplasme est transportée vers l’organite grâce à un système transporteur complexe (non décrit dans la figure) puis, afin de pouvoir y pénétrer, est dépliée par Hsc70. À l’intérieur de l’organite, Hsp70m (un homologue constitutif mitochondrial de Hsp70) prépare le repliement, qui est ensuite réalisé par un complexe formé de deux polypeptides Hsp60 (en organisation tête-bêche), Hsp10 servant de couvercle à la machine de repliement Hsp60.

Figure 4. Machinerie chaperon impliquée dans le transport des polypeptides à travers la membrane des mitochondries. Certaines protéines mitochondriales (ou du chloroplaste chez les plantes) sont codées par des gènes nucléaires et, via un peptide signal, sont adressées vers l’organite concerné. La protéine synthétisée dans le cytoplasme est transportée vers l’organite grâce à un système transporteur complexe (non décrit dans la figure) puis, afin de pouvoir y pénétrer, est dépliée par Hsc70. À l’intérieur de l’organite, Hsp70m (un homologue constitutif mitochondrial de Hsp70) prépare le repliement, qui est ensuite réalisé par un complexe formé de deux polypeptides Hsp60 (en organisation tête-bêche), Hsp10 servant de couvercle à la machine de repliement Hsp60.

La protéine Hsp27 et d’autres membres de la famille des Hsp de bas poids moléculaire ont la particularité d’être exprimés (en l’absence de stress) au cours du développement des organismes, ainsi qu’au cours des événements précoces de différenciation cellulaire [ 27]. Ces Hsp participeraient à la protection des organismes en développement contre un hypothétique stress, et semblent nécessaires à la protection de la cellule contre une mort apoptotique lors de la transition mitose-état différencié [ 28].

En effet, les Hsp peuvent agir comme modulateurs de la machinerie apoptotique [ 29] : ainsi, Hsp27 agit négativement sur l’apoptose en interagissant avec le cytochrome c une fois cet agent apoptogène sorti des mitochondries ; cette interaction empêcherait la formation du complexe apoptosome responsable de l’activation des caspases [ 30]. Une deuxième activité est située en amont de la mitochondrie et bloque certains des sentiers de transduction qui convergent vers la protéine Bid [ 31]. Les protéines Hsp70 et Hsp90 agiraient également au niveau de l’apoptosome, ou interfèreraient avec le facteur AIF (apoptosis inducing factor). Hsp60 et Hsp10, relâchées simultanément de la mitochondrie avec le cytochrome c, auraient une activité proapototique stimulant la conversion procaspase 3 en caspase 3 active. Toutefois, on ne sait pas encore si ces activités sont ou non associées aux fonctions de chaperons moléculaires des Hsp telles qu’elles ont été définies ci-dessus.