Les protéines sont souvent appelées les éléments constitutifs des cellules, mais même ces éléments constitutifs doivent être construits. L’une des étapes les plus importantes du processus de formation des protéines est la glycosylation, lorsque des molécules de sucre (glycanes) sont attachées à la protéine en cours de maturation. Ces sucres peuvent affecter la façon dont les protéines se replient et fonctionnent, et des erreurs lors de la glycosylation peuvent entraîner des maladies.
Une nouvelle étude du groupe de Robert Keenan de l'Université de Chicago, en collaboration avec le laboratoire de Rajat Rohatgi de l'Université de Stanford, met en lumière la manière dont ce processus fondamental peut être régulé.
« C'est une histoire complexe qui comporte de nombreux niveaux intéressants, mais c'est encore un autre exemple où la recherche motivée par la curiosité révèle le mécanisme sous-jacent d'un processus cellulaire très fondamental lié à la maladie humaine », a déclaré Keenan, professeur de biochimie et de biologie moléculaire à l'UChicago. Le document a été publié cette semaine dans Nature.
Capturer une protéine en cours de fabrication
Keenan a passé la majeure partie de sa carrière à se concentrer sur la façon dont les protéines sont fabriquées à l'intérieur des cellules, en particulier sur la machinerie impliquée dans la façon dont les ribosomes, les machines qui traduisent l'information génétique en protéines, s'ancrent à la membrane et aident à transporter les protéines à l'intérieur. Sur les quelque 20 000 protéines codées par le génome humain, environ 7 000 sont fabriquées sur des ribosomes ancrés au réticulum endoplasmique (RE), un organite qui ressemble à une plaque tournante de transit cellulaire pour aider les molécules à se déplacer à l'intérieur ou à l'extérieur des cellules. Une fois qu'un ribosome s'est amarré à la membrane du RE, la chaîne en croissance peut être enfilée dans le RE, où elle commence à se replier ou à subir des modifications telles que la glycosylation.
L'année dernière, Mengxiao Ma, postdoctorant au laboratoire Rohatgi de Stanford, a publié une étude montrant comment une protéine appelée GRP94, qui aide à replier et à mûrir les protéines dans le RE, évite de devenir « hyperglycosylée », ce qui signifie que trop de molécules de sucre y sont attachées. Lorsque le GRP94 est hyperglycosylé, la cellule le signale pour être détruit. Cela peut avoir des effets en aval sur d’autres protéines qui en dépendent, notamment les récepteurs de signalisation de surface cellulaire impliqués dans le développement des tissus et les réponses immunitaires.
Lorsque GRP94 se forme, il s'associe à une autre protéine appelée CCDC134 pour empêcher le complexe oligosaccharyl transférase (OST), la machine cellulaire qui facilite la glycosylation, de faire son travail. Les mutations qui perturbent CCDC134 conduisent à une hyperglycosylation de GRP94, provoquant un trouble osseux appelé ostéogenèse imparfaite.
Pendant ce temps, le groupe de Keenan étudiait le fonctionnement de l'OST et avait constaté qu'une autre protéine appelée FKBP11 se liait souvent à la machinerie ribosomique lors de la formation des protéines. De manière inattendue, GRP94 et CCDC134, les mêmes protéines étudiées par le groupe de Rohatgi, étaient également présentes.
Mel Yamsek et Roshan Jha, postdoctorants au laboratoire Keenan, ont utilisé la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) pour tenter de capturer des images de la façon dont ces protéines s'assemblent au cours de ce processus. Les images cryo-EM ont montré une forme partiellement fabriquée de GRP94 qui semblait différente de la protéine finale. Cette version de GRP94 a recruté CCDC134 et FKBP11 comme « chaperons » pour aider à le protéger et bloquer la capacité de l'OST à le glycosyler pendant sa formation.
Nous avons piégé GRP94 en cours de fabrication. Il existe très peu d’exemples de protéines observées de cette manière. C'était donc un hasard, un peu de chance. »
Robert Keenan, professeur de biochimie et de biologie moléculaire, UChicago
Recruter des chaperons pour une protection supplémentaire
En raison de ses liens avec le diabète et le cancer, il existe un grand intérêt à tenter de perturber le GRP94. Ce travail ouvre une fenêtre sur la manière dont les futurs traitements médicamenteux pourraient cibler la protéine sans perturber d’autres processus cellulaires importants. De telles tentatives ont toutefois échoué jusqu’à présent, souvent parce que les médicaments potentiels peuvent également se lier à d’autres protéines de type GRP94 dans la cellule, avec des conséquences inattendues. Cibler CCDC134 ou FKBP11 pourrait constituer une nouvelle voie pour perturber sélectivement GRP94 en supprimant sa protection intégrée contre l’hyperglycosylation.
« En y réfléchissant en termes d'évolution, la première fonction de FKBP11 et de CCDC134 était peut-être de protéger toute chaîne protéique naissante lorsqu'elle entre dans le RE, afin d'empêcher toute sorte d'interactions inappropriées avec d'autres éléments de la cellule qui pourraient causer des problèmes », a déclaré Keenan.
« Plus tard, GRP94 aurait pu développer la capacité de se lier beaucoup plus étroitement afin de pouvoir inhiber sa propre glycosylation », a-t-il poursuivi. « C'est le premier exemple que nous ayons jamais vu de régulation directe de l'activité de l'OST, ce qui est fascinant car il s'agit d'un processus fondamental dans les cellules. »
L'étude, intitulée « Base structurelle de la N-glycosylation régulée au niveau du translocon sécrétoire », a été soutenue par les National Institutes of Health, l'American Cancer Society, la Fondation AP Giannini et la National Science Foundation.
