B3 · Expression des gènes
Maturation et adressage post-traductionnels des protéines
Décrire les modifications post-traductionnelles des protéines et leur rôle fonctionnel. Expliquer l'adressage par peptide signal et le tri des protéines vers leur compartiment de destination.
Biologie moléculaire et génome8 min de lecture17 QCM corrigés
De la chaîne polypeptidique à la protéine fonctionnelle
La traduction produit une chaîne polypeptidique, c’est-à-dire une succession linéaire d’acides aminés. Les mécanismes de synthèse par le ribosome sont étudiés dans la fiche précédente. Cette chaîne doit souvent acquérir une conformation précise, subir des transformations chimiques et rejoindre un compartiment déterminé avant de devenir pleinement fonctionnelle.
Bien que le terme post-traductionnel soit utilisé globalement, certaines étapes commencent avant la fin de la traduction. L’entrée dans le réticulum endoplasmique peut ainsi être co-traductionnelle, car elle accompagne la synthèse de la protéine.
Repliement, assemblage et contrôle de qualité
Acquisition de la conformation tridimensionnelle
Le repliement protéique est l’acquisition d’une structure tridimensionnelle déterminée par la séquence d’acides aminés. Il repose sur des interactions hydrophobes, ioniques, des liaisons hydrogène et, pour certaines protéines, des ponts disulfure.
Des protéines chaperonnes se lient transitoirement aux chaînes en cours de synthèse ou mal repliées. Elles empêchent leur agrégation et favorisent l’accès à une conformation stable sans appartenir à la structure finale.
Les protéines constituées de plusieurs chaînes doivent également subir un assemblage quaternaire. Seules les sous-unités correctement repliées et associées peuvent généralement quitter le compartiment où leur maturation est contrôlée.
Ponts disulfure et milieu cellulaire
Un pont disulfure est une liaison covalente entre les atomes de soufre de deux résidus cystéine. Sa formation est favorisée dans la lumière oxydante du réticulum endoplasmique, tandis que le cytosol réducteur la défavorise.
Des enzymes du réticulum endoplasmique catalysent la formation et le réarrangement de ces ponts. Cette localisation explique pourquoi ils stabilisent surtout les protéines sécrétées, luminales ou présentant un domaine extracellulaire.
Élimination des protéines défectueuses
Une protéine qui ne parvient pas à se replier correctement est retenue par les systèmes de contrôle de qualité. Elle peut être renvoyée vers le cytosol, marquée par l’ubiquitine puis dégradée par le protéasome.
Le contrôle de qualité ne sert donc pas seulement à éliminer des molécules inutiles. Il empêche aussi l’accumulation de protéines mal conformées susceptibles de former des agrégats.
Principales modifications post-traductionnelles
Les modifications post-traductionnelles modifient les propriétés d’une protéine sans changer la séquence du gène qui la code. Elles peuvent agir sur sa conformation, son activité, sa stabilité, ses interactions ou sa localisation.
Clivage protéolytique
Le clivage protéolytique est la coupure irréversible d’une liaison peptidique par une protéase. Il peut retirer un peptide signal, séparer plusieurs chaînes ou convertir un précurseur inactif en protéine active.
Un précurseur nécessitant une coupure pour devenir actif est appelé proprotéine ou zymogène selon son contexte fonctionnel. Ce mécanisme évite qu’une activité apparaisse avant que la protéine ait atteint le compartiment approprié.
Phosphorylation
La phosphorylation est l’ajout réversible d’un groupement phosphate, principalement sur un résidu sérine, thréonine ou tyrosine. Elle est catalysée par une protéine kinase, tandis qu’une phosphatase retire le phosphate.
L’ajout de charges négatives peut modifier la conformation de la protéine ou créer un site de liaison. La phosphorylation constitue ainsi un mécanisme rapide de régulation de l’activité et des interactions moléculaires.
Glycosylation
La glycosylation est l’ajout enzymatique de chaînes glucidiques à une protéine. Elle participe au repliement, à la stabilité, à la protection contre la protéolyse et à la reconnaissance moléculaire.
La N-glycosylation relie un glucide à l’azote d’un résidu asparagine. Elle débute dans le réticulum endoplasmique puis est remaniée dans l’appareil de Golgi. La O-glycosylation relie généralement un glucide à l’oxygène d’un résidu sérine ou thréonine et s’effectue principalement dans l’appareil de Golgi.
Acétylation, méthylation et lipidation
L’acétylation ajoute un groupement acétyle à l’extrémité aminoterminale ou à certains résidus lysine. La méthylation ajoute un ou plusieurs groupements méthyle, notamment sur des lysines ou des arginines. Ces transformations modulent les interactions entre protéines et peuvent modifier leur stabilité ou leur activité.
La lipidation correspond à la fixation covalente d’un groupement lipidique. Elle augmente l’affinité de la protéine pour une membrane et contribue donc à son adressage ou à son ancrage membranaire.
Ubiquitinylation
L’ubiquitinylation est la fixation covalente d’une ou plusieurs molécules d’ubiquitine sur une protéine cible. Une chaîne particulière d’ubiquitines peut provoquer la dégradation par le protéasome, tandis que d’autres formes d’ubiquitinylation régulent le trafic, l’activité ou les interactions de la protéine.
Les signaux d’adressage
Principe général
La synthèse de toutes les protéines débute sur des ribosomes cytosoliques. Leur destination dépend ensuite d’informations portées par la chaîne polypeptidique elle-même.
Une séquence signal peut être située à l’extrémité aminoterminale, à l’extrémité carboxyterminale ou à l’intérieur de la protéine. Elle peut être retirée après l’importation ou rester intégrée à la protéine mature.
En l’absence de signal particulier, une protéine synthétisée par un ribosome libre reste généralement dans le cytosol. L’adressage repose donc sur une correspondance entre un signal porté par la protéine et un récepteur associé au compartiment cible.
Adressage vers le réticulum endoplasmique
Les protéines destinées à la sécrétion, à la membrane plasmique, aux lysosomes ou au système endomembranaire possèdent généralement un peptide signal hydrophobe reconnu pendant la traduction par la particule de reconnaissance du signal.
Cette reconnaissance ralentit transitoirement la traduction et dirige le complexe ribosome-chaîne naissante vers un récepteur de la membrane du réticulum endoplasmique. Le ribosome s’associe alors à un translocon, canal permettant le passage de la chaîne.
Pour une protéine soluble, la chaîne pénètre dans la lumière du réticulum et le peptide signal est souvent clivé par une peptidase. Pour une protéine membranaire, des séquences hydrophobes servent de signaux d’ancrage ou d’arrêt de transfert et déterminent son orientation dans la membrane.
Tri dans le système endomembranaire
Après le réticulum endoplasmique, les protéines transitent vers l’appareil de Golgi, où leurs glycosylations sont remaniées et où s’effectue une partie du tri.
Les protéines lysosomales acquièrent un marqueur glucidique, le mannose-6-phosphate, reconnu par des récepteurs qui les orientent vers les endosomes puis les lysosomes. Les protéines résidentes du réticulum portent des signaux de rétention ou de récupération, tel le motif carboxyterminal KDEL pour certaines protéines luminales.
Les protéines ne portant pas de signal de rétention ou de tri particulier suivent la voie de sécrétion constitutive vers la membrane plasmique ou le milieu extracellulaire. Les mécanismes détaillés des vésicules et des protéines de manteau relèvent de la fiche consacrée au trafic vésiculaire.
Adressage vers les autres compartiments
Le signal de localisation nucléaire est une courte séquence souvent riche en acides aminés basiques. Il est reconnu par des récepteurs appelés importines, qui permettent le passage de la protéine repliée à travers les pores nucléaires. Ce signal n’est généralement pas clivé.
Les protéines mitochondriales codées par le génome nucléaire possèdent souvent une séquence aminoterminale formant une hélice amphipathique. Elles sont maintenues dans un état peu replié, reconnues par des complexes des membranes mitochondriales puis importées grâce à l’énergie fournie par les gradients électrochimiques et l’hydrolyse de l’ATP. La séquence d’adressage est fréquemment retirée après l’importation.
Les protéines peroxysomales portent un signal d’adressage peroxysomal, souvent situé à l’extrémité carboxyterminale. Contrairement à l’import mitochondrial, l’import peroxysomal peut concerner une protéine déjà repliée.
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