L'ADP-ribosylation

C'est une modification post-traductionnelle immédiate et transitoire des protéines du noyau.

Elle est la réponse de la cellule aux interruptions du squelette sucre-phosphate de l'ADN créées par des agents génotoxiques :

  • radiations ionisantes
  • agents alkylants monofonctionnels (DMS, MMS, MNU)
  • agents antitumoraux (cis-platine, bléomycine, streptozotocine)
  • dommages oxydatifs

Les protéines qui subissent ce type de modification post-traductionnelle (histones, lamine B et enzymes du métabolisme de l'ADN) sont pour la plupart associées à la chromatine.

Exemple de processus physiologiques : fonctionnement des adypocytes, fonctionnement de la topoisomèrase II, différentiation cellulaire, ...

Une fois poly-ADP-ribosylées, les protéines perdent leur affinité pour l'ADN.

Le groupement ADP-ribose provient de la nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) sous sa forme oxydée. La forme oxydée et réduite du NAD sont elles-mêmes en interconversion permanente et en relation avec la synthèse d'ATP.

3 types d'enzymes sont impliquées dans le métabolisme de l'ADP-ribose :

  • les mono-(ADP-ribosyl)-transférases : 1 seul groupement ADP-ribose
  • les poly-(ADP-ribosyl)-transférases : plusieurs groupements ADP-ribose
  • les NAD-glycohydrolases : impliquées dans le métabolisme de l'ADP-ribose cyclique, un agent chélatant du calcium qui agit comme second messager

ADP-ribosylation ribosylation modification post-traductionnelle nicotinamide adenine dinucleotide

La poly-ADP-ribose polymérase (PARP ; E.C. 2.4.2.30) catalyse la synthèse du poly-(ADP-ribose) à partir du NAD+.

C'est une protéine qui contient 3 domaines structuraux :

  • le domaine de fixation à l'ADN
  • le domaine d'auto-modification
  • le domaine de fixation du NAD (domaine catalytique)

ADP-ribosylation ribosylation modification post-traductionnelle poly-(ADP-ribose) poly-ADP-ribose polymerase

Source : "ADP-ribose polymer metabolism" - Amé, Jacobson & Jacobson

L'identification et la taille des 3 domaines de la PARP a été obtenue après digestion ménagées par la trypsine (site T) et la papaine (site P).

Structure schématique du poly-(ADP-ribose) liée à une protéine et sites de clivage :

  • la taille de varie de quelques résidus à plus de 200
  • le poly(ADP-ribose) a un squelette ribose (1'' -> 2') ribose - phosphate - phosphate.
  • l'adénosine est liée au carbone anomère du ribose par une liaison glycosidique alpha
  • la teneur en résidus ADP-ribose branchée est de 2 à 3%

Source : "ADP-ribose polymer metabolism" - Amé, Jacobson & Jacobson

ADP-ribosylation ribosylation modification post-traductionnelle poly-(ADP-ribose) poly-ADP-ribose polymerase

Deux enzymes sont impliquées dans la dégradation du poly-(ADP-ribose) :

  • la poly(ADP-ribose) glycohydrolase coupe la liaison ribose-ribose, aussi bien des parties linéaires que branchées du polymère
  • la phosphodiestérase hydrolyse la liaison anhydride phosphate

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Mode d'action des toxines de type A-B

Les bactéries pathogènes utilisent leurs toxines pour modifier ou détruire les cellules hôtes.

Les toxines bactériennes à activité ADP-ribosyle forment une grande famille de toxines mortelles (voir tableau ci-dessous).

Ces toxines sont produites par un large éventail de bactéries pathogènes et constituent l'agent cytotoxique qui cause de graves maladies infectieuses (coqueluche, choléra, diphtérie, ...).


Caractéristiques des toxines à activité ADP-ribosyle de plusieurs souches bactériennes virulentes
Toxines bactériennes à activité ADP-ribosyle Bactérie Cible Effets pathologiques
toxine de la coqueluche Bordetella pertussis Cystéine des sous-unités α de la sous-famille Gαi (Gαi, Gαo et Gαt) sauf Gαz Le couplage [protéine Gαi -récepteur] est inhibé et la transduction du signal est bloquée

toxine du choléra

enterotoxine labile à la chaleur

Vibrio cholerae

Escherichia coli

Arginines des sous-unités α de la sous-famille Gαs (Gαs et Gαolf) L'activité GTPase de la sous-unité stimulante Gαs est inhibée : la sous-unité Gαs est activée en permanence

toxine diphtérique

exotoxine A

Corynebacterium diphtheirae

Pseudomonas aeruginosa

Le facteur 2 d'élongation de la traduction chez les Eukaryotes (eEF2) contient une histidine modifiée appelée diphthamide qui est la cible de la toxine

Diphthamide biosynthese proteine complexe elongation traduction translation ADP-ribosylation ribosylation

La synthèse des protéines est bloquée

ADP-ribosylation cholera toxin enterotoxine pertussis

Source : PDB

  • toxine du choléra : 1XTC
  • enterotoxine : 1LTB
  • toxine de la coqueluche : 1PRT
  • toxine diphtérique : 1MDT

ADP-ribosylation cholera toxin enterotoxine pertussis

Source : "The cholera toxin family : action and inhibition"

La toxine de la coqueluche (PTX) est une toxine de type A-B : ces toxines sont constituées de deux parties (A et B) qui jouent des rôles différents dans l'action de la toxine.

PTX modifie les réponses cellulaires via au moins 2 voies de signalisation différentes :

  • un mode d'action dépendant de la protéine Gi/o : le protomère A (sous-unité S1) possède une activité ADP-ribosyl transférase. Ce protomère ADP-ribosyle la sous-unité α de protéines Gi/o hétérotrimériques : les récepteurs sont découplés des protéines Gi/o.
  • un mode d'action indépendant de la protéine Gi/o : l'oligomère B est constitué de quatre sous-unités (S2 à S5). Cet oligomère se fixe aux protéines à la surface des cellules comme les récepteurs 4 "Toll-like" et active une cascade de signaux intracellulaires.

ADP-ribosylation ribosylation modification post-traductionnelle poly-(ADP-ribose) poly-ADP-ribose polymerase

L'ADP-ribosylation de la sous-unité α de la protéines Gi/o verrouille cette sous-unité dans un état inactif (forme GDP fixé) : elle ne peut plus inhiber l'adénylate cyclase. Cela entraîne l'accumulation d'AMPc ce qui induit divers effets pathologiques dans les cellules hôtes.

La sous-unité S1 (protomère A) contient 2 cystéine en positions 41 et 201, qui forment un pont disulfure dans l'holotoxine native. La réduction de ce pont disulfure induit une forte stimulation de l'activité catalytique de la sous-unité S1, concomitante avec le relarguage de la sous-unité S1 de l'oligomère B.

L'extrémité C-terminale de la sous-unité S1 de PTX (composée de 235 acides aminés) est importante dans l'interaction de cette sous-unité S1 avec l'oligomère B (notamment les acides aminés 220 à 235 hydrophobes).

Les acides aminés 195 à 204 sont requis pour l'ADP-ribosylation de la sous-unité α de la protéines Gi/o. Les acides aminés 205 à 219 constituent la région catalytique de la sous-unité S1 et sont le site de fixation de l'oligomère B.

Les séquences en acides aminés des sous-unités S2 et S3 ont environ 70% d'homologie. Cependant, la sous-unité S2 se fixe aux glycanes non-sialylés et la sous-unité S3 se fixe aux glycanes sialylés.

 

Liens Internet et références bibliographiques

Erener et al. (2012) "Poly(ADP-ribose)polymerase-1 (PARP1) controls adipogenic gene expression and adipocyte function" Mol. Endocrinol. 26, 79 - 86

Meyer-Ficca et al. (2011) "Poly(ADP-ribose) polymerases PARP1 and PARP2 modulate topoisomerase II beta (TOP2B) function during chromatin condensation in mouse spermiogenesis" Biol. Reprod. 26, 900 - 909

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