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11.2 : Trafic de protéines - Biologie

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L'idée que les séquences propeptides ont des fonctions importantes dans la maturation des protéines au-delà de simplement les empêcher d'être actives n'est pas exclusive à l'assemblage. Une classe majeure de séquences peptidiques clivées est peptides signaux. Dans le cas des procaryotes, cela signifie essentiellement la membrane cellulaire, mais pour les eucaryotes, il existe des peptides signaux spécifiques qui peuvent diriger la protéine vers le noyau, vers les mitochondries, vers le réticulum endoplasmique et d'autres organites intracellulaires. Les peptides sont spécifiquement reconnus par des récepteurs sur les membranes de compartiments particuliers, qui aident ensuite à guider l'insertion de la protéine dans ou à travers la membrane. Presque toute la synthèse des protéines chez les eucaryotes est effectuée dans le cytoplasme (à l'exception de quelques protéines dans les chloroplastes et les mitochondries), de sorte que les protéines trouvées dans tout autre compartiment ou intégrées dans une membrane doivent avoir été ciblées et transportées dans ce compartiment par son séquence de signaux.

Bien que cela soit principalement considéré comme un processus eucaryote étant donné qu'il y a tant de cibles potentielles, les procaryotes ont des protéines membranaires (en fait, quelque 800 différentes dans E. coli comprenant ~20 % des protéines totales), et ils y sont positionnés à l'aide d'enzymes insertases telles que YidC et de complexes tels que Sec translocase. La translocase Sec utilise une particule de reconnaissance de signal (SRP) un peu comme celle des eucaryotes, et sera discutée plus loin dans ce chapitre lorsque la SRP sera introduite. YidC, qui a des homologues eucaryotes (par exemple Oxa1 dans les mitochondries), est une protéine transmembranaire de 61 kDa qui est placée dans la membrane par un mécanisme translocase SRP-Sec. Une fois là-bas, YidC interagit avec les polypeptides naissants (une fois qu'ils ont atteint environ 70 acides aminés) qui ont commencé à interagir avec les lipides de la membrane cellulaire, et pousse la protéine dans/à travers la membrane.

Le noyau est l'un de ces compartiments, et des exemples de protéines qui s'y trouvent comprennent des ADN et ARN polymérases, des facteurs de transcription et des histones. Ces protéines nucléaires et d'autres ont une séquence signal N-terminale connue sous le nom de NLS, ou signal de localisation nucléaire. Il s'agit d'une voie bien étudiée qui implique un ensemble de protéines adaptatrices d'importine et le complexe de pores nucléaires (Figure (PageIndex{3})). Le transport dans le noyau est particulièrement difficile car il a une double membrane (rappelez-vous qu'il est contigu à la membrane du réticulum endoplasmique. Bien qu'il existe d'autres mécanismes pour fabriquer des protéines qui sont intégrées dans la membrane nucléaire, le principal mécanisme d'importation et d'exportation de gros molécules entrant et sortant du noyau lui-même est le complexe de pores nucléaires. Le complexe est très grand et peut être composé de plus de 50 protéines différentes (nucléoporines, parfois appelées nups). Les nucléoporines sont assemblées en un grand pore octogonal ouvert à travers les membranes nucléaires. Comme l'indique la figure (PageIndex{3}), il y a des fibrilles en forme d'antenne sur la face cytoplasmique, et celles-ci aident à guider les protéines de leur origine dans le cytoplasme au pore nucléaire, et du côté nucléaire il y a un panier structure. Bien sûr, toutes les protéines ne sont pas autorisées dans le noyau, et le mécanisme permettant de distinguer les cibles appropriées est simple. La protéine doit porter un signal de localisation nucléaire (NLS). Alors qu'elle se trouve dans le cytoplasme, une protéine importine-α se lie au SNL d'une protéine nucléaire et se lie également à une importine-β. L'importine-β est reconnue et liée par le complexe de pores nucléaires. Les détails du mécanisme de transport sont obscurs, mais on pense que des répétitions de phénylalanine-glycine dans les sous-unités de nucléoporine (FG-nups) sont impliquées.

Une fois que l'agrégat nucléoprotéine-importine est déplacé dans le noyau, Ran-GTP, une petite GTPase, provoque la dissociation de l'agrégat (Figure (PageIndex{3})c). La protéine importée est libérée dans le noyau. Les importines sont également libérées dans le noyau, mais elles sont réexportées pour être réutilisées avec une autre protéine ciblée pour le noyau.

Les mécanismes d'activation des petites GTPases d'autres processus seront à nouveau discutés plus en détail dans les chapitres suivants (cytosquelette, signalisation). La clé pour comprendre le mécanisme est de se rappeler que la GTPase hydrolyse le GTP en PIB, mais conserve toujours le PIB. Bien que la GTPase hydrolyse le GTP spontanément, la protéine activant la GTPase, GAP (ou Ran-GAP dans ce cas) accélère considérablement la vitesse d'hydrolyse. Afin de remettre le système en GTP, le GDP n'est pas re-phosphorylé : il est échangé pour un nouveau GTP. L'échange est grandement facilité par l'action d'une protéine accessoire, le guanine nucleotide exchange factor (GEF), en l'occurrence un Ran-GEF.

L'exportation du noyau vers le cytoplasme se produit également à travers le pore nucléaire. Le Ran-GTP fait également partie du complexe d'exportation (Figure (PageIndex{3})d), et en conjonction avec un exporter la protéine et tout ce qui doit être exporté, est évacué du noyau via le pore nucléaire. Une fois dans le cytoplasme, l'hydrolyse du GTP en GDP par Ran (activé par Ran-GAP, une protéine cytoplasmique) fournit l'énergie nécessaire pour dissocier la cargaison (par exemple l'ARNm) des molécules de transport exportatrices. Le Ran-GDP se lie ensuite aux importines, rentre dans le noyau et le PIB est échangé contre du GTP.

Le pore nucléaire est le seul complexe de transport qui s'étend sur des couches à double membrane, bien qu'il existe des paires coordonnées de complexes de transport dans des organites à double membrane telles que les mitochondries. Les protéines de transport de la membrane mitochondriale externe se lient aux protéines de transport de la membrane mitochondriale interne pour déplacer les protéines liées à la matrice (par exemple celles impliquées dans le cycle du TCA) à partir du cytoplasme. Les complexes qui déplacent les protéines à travers la membrane externe sont constitués de la famille de protéines Tom (translocator external membrane). Certaines protéines resteront incrustées dans la membrane externe : elles sont traitées par un complexe SAM (machines de tri et d'assemblage) également incrusté dans la membrane externe). Pendant ce temps, d'autres continuent vers les protéines Tim (translocateur de la membrane interne) qui les déplacent à travers la membrane interne. Comme pour les protéines nucléaires, il existe une séquence signal consensus sur les protéines mitochondriales qui est liée par des chaperons cytosoliques qui les amènent aux transporteurs Tom. Comme le montre le tableau ci-dessous, il existe des séquences signal/propeptides qui ciblent les protéines vers plusieurs autres compartiments.

D'une importance particulière pour le reste de ce chapitre, est la séquence ciblant les protéines vers le réticulum endoplasmique, et par extension, toutes les protéines destinées au RE, l'appareil de Golgi, la membrane cellulaire, les vésicules et les compartiments dérivés des vésicules, et la sécrétion hors de la cellule. Ici, en plus d'une séquence signal N-terminale, la position des séquences signal internes secondaires (parfois appelées patchs signal) aide à déterminer la disposition de la protéine lorsqu'elle pénètre dans le RE.

L'insertion initiale nécessite la reconnaissance de la séquence signal par PÉR, la protéine de reconnaissance du signal. La SRP est une protéine G et échange son GDP lié contre un GTP lors de la liaison à la séquence signal d'une protéine. La SRP avec sa protéine attachée s'arrime ensuite à un récepteur (appelé récepteur SRP, assez étonnamment) intégré dans la membrane du RE et s'étendant dans le cytoplasme. La SRP se lie généralement dès que la séquence signal est disponible, et lorsqu'elle le fait, elle arrête la traduction jusqu'à ce qu'elle soit amarrée à la membrane du RE. C'est d'ailleurs l'origine du réticulum endoplasmique « rugueux » : les ribosomes qui parsèment le RE sont attachés à la surface cytoplasmique du RE par le polypeptide naissant qu'il produit et une SRP. Le récepteur SRP peut exister seul ou en association avec un translocon, qui est un canal de translocation bipartite. Le récepteur SRP (SR) est également une GTPase et porte généralement une molécule GDP lorsqu'il n'est pas associé. Cependant, lors de l'association avec le translocon, il échange son PIB contre un GTP. Ces GTP sont importantes car lorsque la SRP se lie au SR, les deux activités GTPase sont activées et la libération d'énergie qui en résulte se dissocie à la fois du translocon et du polypeptide naissant. Cela soulage le blocage de la traduction imposé par la SRP et la nouvelle protéine est poussée à travers le translocon au fur et à mesure qu'elle est synthétisée. Une fois que la séquence signal est complètement entrée dans la lumière du RE, elle révèle un site de reconnaissance pour signal peptidase, une enzyme hydrolytique qui réside dans la lumière du RE et dont le but est de couper le peptide signal.

Les procaryotes utilisent également un homologue SRP. Dans E. coli, le SRP est simple, composé d'une sous-unité protéique (Ffh) et d'un petit ARN 4.5S. Par comparaison, certains eucaryotes supérieurs ont une SRP composée de six sous-unités protéiques différentes et d'un ARN 7S. De même, il existe un simple homologue procaryote du récepteur SRP, FtsY. Une différence intéressante est que FtsY n'interagit généralement pas avec les protéines exportées et semble n'être nécessaire que pour les protéines membranaires. Sinon, il existe de nombreuses similitudes dans le mécanisme d'insertion des protéines membranaires à base de SRP chez les espèces eucaryotes et procaryotes, y compris la dépendance au GTP, et l'achèvement du mécanisme par une translocase (SecYEG dans E. coli).

Si c'était la seule séquence signal dans la protéine, le reste de la protéine est synthétisé et poussé à travers le translocon et une protéine soluble est déposée dans la lumière du RE, comme le montre la figure (PageIndex{4}). Qu'en est-il des protéines intégrées dans une membrane ? Les protéines transmembranaires ont des séquences signal internes (parfois appelées patchs signal). En fonction de leur localisation relative, ils peuvent être considérés soit début-transfert ou arrêter-séquence de transfert, où « transfert » fait référence à la translocation du peptide à travers le translocon. Ceci est plus facile à comprendre en se référant à la figure (PageIndex{5}).

S'il y a une étendue importante de résidus hydrophobes pour la plupart ininterrompus, cela serait considéré comme un signal d'arrêt de transfert, car cette partie de la protéine peut se coincer dans le translocon (et par la suite la membrane du RE) forçant le reste de la protéine à rester en dehors des urgences. Cela générerait une protéine qui s'insère une fois dans la membrane, avec son extrémité N dans la lumière du RE et son extrémité C dans le cytoplasme. Dans une protéine transmembranaire à passages multiples, il pourrait y avoir plusieurs patchs de signal hydrophobe de transfert de démarrage et d'arrêt.

S'appuyant sur l'exemple à passage unique, s'il y avait un autre patch de signal après la séquence d'arrêt de transfert, il agirait comme une séquence de démarrage de transfert, se fixant à un translocon et permettant au reste de la protéine d'être déplacé dans le RE. Il en résulte une protéine avec à la fois des terminaisons N et C dans la lumière du RE, traversant deux fois la membrane du RE, et avec une boucle cytoplasmique dépassant. Bien sûr, le N-terminal pourrait être de l'autre côté. Pour un N-terminal cytoplasmique, la protéine ne peut pas avoir de séquence signal N-terminale (Figure (PageIndex{7})). Il a un patch de signal interne à la place. Il joue essentiellement le même rôle, mais l'orientation du patch signifie que le N-terminal reste cytoplasmique. Le polypeptide traduit après le patch est introduit dans le RE. Et tout comme dans le dernier exemple, plusieurs séquences d'arrêt et de démarrage peuvent réinsérer la protéine dans la membrane et modifier l'orientation de la portion suivante.


Trafic de protéines membranaires

Des défauts dans le traitement/le repliement des canaux ioniques entraînent une arythmie cardiaque

Comme indiqué précédemment, le trafic de protéines membranaires nécessite d'abord qu'une protéine nouvellement synthétisée se déplace du réticulum endoplasmique à travers les multiples couches de l'appareil de Golgi. Ces organites servent non seulement à modifier les protéines membranaires avec des fragments glucidiques appropriés, mais servent également de voies de « contrôle de qualité » pour garantir que les protéines immatures ou mal repliées sont éliminées de la voie de biosynthèse et finalement ciblées pour la dégradation. Directement liée à ce chapitre, la protéine humaine ether-à-go-go (hERG1) (K v11.1, codé par KCNH2) sert de sous-unité pour jeKr, un courant K + voltage-dépendant critique pour la repolarisation cardiaque (voir Fig. 23.1). 3,4 Les mutations de perte de fonction humaine dans hERG1 conduisent à une repolarisation aberrante, entraînant un allongement de l'AP et la deuxième forme la plus courante de syndrome du QT long chez l'homme, le LQT2. 3,4 Notamment, une grande partie des plus de 200 variantes de perte de fonction hERG1 liées à LQT2 sont associées à un mauvais repliement et finalement à un trafic altéré et à une dégradation rapide du polypeptide immature. 5 Les défauts de repliement des protéines membranaires ne sont certainement pas limités aux canaux K + voltage-dépendants cardiaques. Par exemple, il existe de nombreux exemples de Na voltage-dépendantv défauts de canal liés à un repliement protéique altéré, entraînant à nouveau une expression membranaire réduite en raison d'une dégradation prématurée. 6


11.2 : Trafic de protéines - Biologie

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Membres du groupe de discussion

Alan Attie

Crédits: Département de biochimie

Titre du poste : Génétique moléculaire du diabète et biologie cellulaire de la résistance à l'insuline de l'assemblage des lipoprotéines, trafic de cholestérol

Anjon Audhya

Crédits: Département de chimie biomoléculaire

Titre du poste : Mécanismes des techniques d'imagerie des cellules vivantes du trafic membranaire

Arash Bashirullah

Crédits: Département de pharmacie

Titre du poste : Régulation du développement de la biologie endocrinienne et exocrine

Sébastien Bednarek

Crédits: Département de biochimie

Titre du poste : Trafic membranaire, biogenèse des organites, cytokinèse, croissance polarisée

Briana Burton

Crédits: Service de bactériologie

Titre du poste : Transport de macromolécules à travers les membranes

Edwin Chapman

Crédits: Département de neurosciences

Titre du poste : Exocytose, transmission synaptique, biologie cellulaire neuronale

Cynthia Czajkowski

Crédits: Département de neurosciences

Titre du poste : Mécanismes moléculaires et cellulaires de la signalisation des canaux ioniques à ligand pentamérique

Erik Dent

Crédits: Département de neurosciences

Titre du poste : Régulation du cytosquelette dans la différenciation neuronale

Katie Drerup

Crédits: Département de biologie intégrative

Titre du poste : Neurosciences cellulaires

Donna Fernández

Crédits: Département de botanique

Titre du poste : Ciblage des protéines chloroplastiques et biogenèse des organites

Alexeï Gloukhov

Crédits: Département de médecine

Titre du poste : électrophysiologie cardiaque, biophysique, biologie cellulaire et moléculaire des cardiomyocytes, arythmies cardiaques et physiopathologie

Mrinalini Hoon

Crédits: Département d'ophtalmologie et des sciences visuelles

Titre du poste : Mécanismes régulant l'organisation du circuit rétinien

Meyer Jackson

Crédits: Département de neurosciences

Titre du poste : L'électrophysiologie et les techniques d'imagerie sont utilisées pour explorer les mécanismes de base de la signalisation neuronale

Timothée Kamp

Crédits: Département de médecine

Titre du poste : Fonction et régulation des canaux ioniques cardiaques mécanismes de base de l'insuffisance cardiaque et des arythmies cellules souches et régénération cardiaque

Yoshihiro Kawaoka

Crédits: Département des sciences pathobiologiques

Titre du poste : Pathogénie moléculaire des virus de la grippe et d'Ebola

Michelle Kimple

Crédits: Département de médecine

Titre du poste : Régulation de la biologie des cellules bêta du pancréas

Robert Kirchdoerfer

Crédits: Département de biochimie

Titre du poste : Microscopie cryoélectronique à particule unique de protéines virales

Thomas Martin

Crédits: Département de biochimie

Titre du poste : Mécanismes de régulation de l'action hormonale de la sécrétion d'hormones/neurotransmetteurs

Marisa Otegui

Crédits: Laboratoire de Biologie Cellulaire et Moléculaire & Département de Botanique

Titre du poste : Trafic endosomal de plantes

Luigi Puglielli

Crédits: Département de médecine

Titre du poste : Mécanismes moléculaires du neurodéveloppement et de la neurodégénérescence

Gail Robertson

Crédits: Département de neurosciences

Titre du poste : Mécanismes moléculaires de la maladie des canaux ioniques

Raunak Sinha

Crédits: Département de neurosciences

Titre du poste : Signalisation neuronale dans la rétine

Randal Tibbetts

Crédits: Service d'oncologie humaine

Titre du poste : expression des gènes de réparation de l'ADN neurodégénérescence sclérose latérale amyotrophique


L'intérêt principal du programme de recherche du Dr Puertollano est de caractériser la contribution des lysosomes à une variété de processus physiologiques, à la fois dans des conditions normales et pathologiques. Son objectif principal est de réaliser des avancées significatives dans trois domaines majeurs : 1) la caractérisation des mécanismes moléculaires de la régulation lysosomale, 2) la génération de modèles animaux pour mieux comprendre la physiopathologie moléculaire des maladies lysosomales, et 3) l'identification de sites potentiels d'intervention thérapeutique. approprié pour une évaluation plus approfondie dans les efforts de recherche translationnelle et clinique.

Traditionnellement considérés comme de simples compartiments de dégradation, les lysosomes sont aujourd'hui reconnus comme des acteurs clés dans de nombreux processus cellulaires. Une découverte clé à l'appui de cela a été la découverte que l'expression des gènes lysosomal change en réponse à l'état nutritionnel, révélant que les cellules surveillent la fonction lysosomale et répondent aux exigences de dégradation et aux conditions environnementales. Le laboratoire du Dr Puertollano a montré que les facteurs de transcription TFEB et TFE3 passent rapidement du cytosol au noyau après la famine. En régulant l'expression des gènes impliqués dans la biogenèse lysosomale et l'autophagie, TFEB et TFE3 jouent un rôle essentiel dans le maintien de l'homéostasie cellulaire et énergétique. Cependant, TFEB et TFE3 peuvent avoir un rôle plus large que celui précédemment reconnu car ils sont activés en réponse à une variété de conditions de stress, y compris l'accumulation de protéines aberrantes, l'inflammation et l'infection par des agents pathogènes. Alors que le rôle de ces facteurs de transcription dans l'adaptation à une grande variété de stress internes et de fluctuations environnementales est inextricablement lié à leur capacité unique à réguler globalement le système autophagique/lysosomal, il est important de garder à l'esprit que TFEB et TFE3 peuvent également contrôler l'expression de gènes clés impliqués dans de multiples voies cellulaires, telles que la modulation de la fonction mitochondriale, le métabolisme, la réponse protéique dépliée, l'apoptose et la réponse inflammatoire, suggérant ainsi un rôle global dans la réponse au stress.

Les mutations des protéines lysosomales sont à l'origine d'une classe de troubles métaboliques appelés maladies de surcharge lysosomale (LSD). Le laboratoire du Dr Puertollano s'intéresse à la compréhension des bases moléculaires et de la pathologie cellulaire de la mucolipidose de type IV (MLIV) et de la maladie de Pompe. La génération et la caractérisation d'un nouveau modèle MLIV chez le poisson zèbre dans son laboratoire ont révélé que la dégénérescence progressive et les défauts de développement sont des éléments importants de la pathologie MLIV. Elle a également évalué comment le rôle des lysosomes dans la signalisation et l'homéostasie cellulaire peut être modifié dans les LSD. En particulier, nous avons signalé une activation défectueuse de mTORC1 dans la maladie de Pompe et identifié des sites potentiels d'intervention thérapeutique pour cette maladie.

Dans l'ensemble, ce travail fournit de nouvelles informations importantes sur le rôle nouveau et passionnant des lysosomes en tant que centres de signalisation qui synchronisent les signaux environnementaux avec l'expression des gènes, la production d'énergie et l'homéostasie cellulaire.


Voir la vidéo: Son rhésus, ma bataille - BioTCom 13 (Décembre 2022).