L'isoprénylation, la myristoylation, la palmitoylation, la glypiation

1. Introduction

2. L'isoprénylation

2a. Substrats (farnesyl ou géranylgéranyl) et réaction

2b. Les protéines prényltransferases

3. La myristoylation

3a. Substrats (acide myristique) et réaction

3b. La N-myristoyltransférase

 

4. La palmitoylation

5. La glypiation

5a. Structure du substrat (glycosyl-phosphatidylinositol ou GPI) et structure du site de fixation du GPI

5b. Réaction de glypiation catalysée par la transamidase GPI

5c. Structure de la transamidase GPI de Saccharomyces cerevisiae

5d. Réaction de pré-formation du GPI (2è étape)

6. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Introduction

Les modifications les plus courantes de protéines par des lipides sont : l'isoprénylation, la N-myristoylation, la palmitoylation (ou S-acylation) et la glypiation.

  • l'isoprénylation et la N-myristoylation sont des modifications co-traductionnelles ou immédiatement post-traductionnelles et le groupement qui est attaché le reste jusqu'à la dégradation de la protéine
  • la palmitoylation est post-traductionnelle. Cette modification est réversible et plus rapide que le "turn-over" de la dégradation des protéines : elle peut donc être régulée
  • la glypiation est co- et post-traductionnelle

Les groupements farnesyl ou géranylgéranyl, sont des produits de la voie métabolique de l'HMG-CoA réductase.


Exemples d'acides gras
Carbone Doubles liaisons Position des doubles liaisons Nom commun Nom IUPAC Point de fusion
12 0 C12:0 laurate
(acide laurique)
dodécanoate
(acide dodécanoique)
43°C
14 0 C14:0 myristate tétradécanoate 52°C
16 0 C16:0 palmitate hexadécanoate 63°C
18 0 C18:0 stéarate octadécanoate 70°C
20 0 C20:0 arachidate icosanoate 75°C
22 0 C22:0 béhénate docosanoate 81°C
24 0 C24:0 lignocérate tétracosanoate 84°C
16 1 C16:1 Δ9 palmitoléate cis9-hexadécénoate - 0,5°C
18 1 (végétaux) C18:1 Δ9 (acide gras ω-9) oléate cis9-octadécénoate 13°C
18 2 (végétaux) C18:2 Δ9,12 (acide gras ω-6) linoléate cis,cis9,12-octadécadiénoate - 9°C
18 3 (végétaux) C18:3 Δ9,12,15 (acide gras ω-3) linolénate all-cis9,12,15-octadécatriénoate - 17°C
18 4 (végétaux) C18:4 Δ6,9,12,15 (acide gras ω-3) stéaridonate all-cis6,9,12,15-octadécatétraénoate ------
20 4 (animaux) C20:4 Δ5,8,11,14 (acide gras ω-6) arachidonate all-cis5,8,11,14-icosatétraénoate - 49°C
20 5 (poisson) C20:5 Δ5,8,11,14,17(acide gras ω-3) eicosapentaénoate all-cis5,8,11,14,17-eicosapentaénoate ------
22

5 (animaux)

C22:5 Δ4,7,10,13,16 (acide gras ω-6)

C22:5 Δ7,10,13,16,19 (acide gras ω-3)

acide osbond

clupanodonate

all-cis4,7,10,13,16-docosapentaénoate

all-cis7,10,13,16,19-docosapentaénoate

------
22 6 (animaux) C22:6 Δ4,7,10,13,16,19 (acide gras ω-3) cervonate all-cis4,7,10,13,16,19-docosahexaenoate - 44°C
24 6 C24:6 Δ6,9,12,15,18,21 (acide gras ω-3) nisinate all-cis6,9,12,15,18,21-tétracosahexaénoate ------

2. L'isoprénylation

2a. Substrats et réaction

L'isoprénylation (ou prénylation) est la modification qui ajoute un lipide isoprénoide farnesyl ou géranylgéranyl, via une liaison thioether, sur une cystéine en position C-terminale ou proche de cette extrémité.

La protéine est ensuite clivée juste après la cystéine modifée et un groupement méthyle y est ajouté en position C-terminale.

Les groupements farnesyl (15 carbones) et géranylgéranyl (20 carbones) sont des poly-isoprenes insaturés.

Ils dérivent du mévalonate.

geranylgeranyl geranyl farnesyl glypiation

Chez l'homme il existe 3 protéine prényltransferases : la farnesyl-transférase (FT) et les géranylgéranyl-transférase 1 et 2 (GGT1 et GGT2).

La réaction catalysée par la GGT2 met en jeu 2 molécules de géranylgéranyl diphosphate, au lieu de 1 pour FT et GGT1.

Chacune de ces protéines contient une sous-unité α et une sous-unité β. Les sous-unités α de FT et de GGT1 sont codées par le même gène (FNTA).

farnesyl glypiation

 

La séquence consensus d'isoprénylation est : "Ca1a2X" où C est la cystéine modifiée.

  • a1 et a2 sont des acides aminés de préférence aliphatiques.
  • Dans l'ordre décroissant d'affinité, X peut-être :
    1. C, S, Q, A, M, T, H, V, N, F, G, I dans le cas de FT
    2. L, F, I, V, M dans le cas de GGT1

Figure ci-contre : structure d'un inhibiteur de la FT et de la GGT1.

Isoprenylation

Source : Tucker et al. (2002)

2b. Les protéines prényltransferases

proteine prenyltransferase

Structure de la protéine farnesyl-transférase (EC 2.5.1.58) de Homo sapiens (Long et al. - 2004).

Code accès : MMDB 28560 - Code accès : PDB 1S63

proteine prenyltransferase

Structure de la protéine géranylgéranyl-transférase type I (EC 2.5.1.59) de Rattus norvegicus (Reid et al. - 2004).

Code accès : MMDB 29952 - Code accès : PDB 1TNZ

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3. La myristoylation

3a. Substrats et réaction

La N-myristoylation est la modification qui ajoute un acide myristique (activé sous forme de myristoyl-CoA) sur une glycine en position N-terminale.

La méthionine N-terminale issu du codon d'initiation de la traduction est au préalable clivée.

L'acide myristique (C14:0) est présent en faible quantité dans les tissus animaux. Il ne représente que 0,6 % des acides gras totaux du foie de souris.

La O-acylation : liaison oxyester entre un acide gras et une sérine interne.

myristoylation acide myristique

Source : Rioux & Legrand (2001)

C'est une modification des protéines membranaires virales : par exemple, la protéine gag du virus HIV est myristoylée et sans cette modification, le virus ne peut pas produire de particules infectieuses.

La rhodopsine bien que possèdant 7 domaines transmembranaires, utilise une ancre S-palmitoylée pour attacher l'extrémité C-terminale cytoplasmique à la membrane plasmique.

3b. La N-myristoyltransférase

Cette enzyme s'appelle aussi : glycylpeptide N-tétradécanoyl-transférase 1 (EC 2.3.1.97).

Réaction : tétradécanoyl-CoA + glycylpeptide <=> CoA + N-tétradécanoylglycylpeptide

Figure ci-contre : Structure de la N-myristoyltransférase de Saccharomyces cerevisiae (Farazi et al. - 2001).

myristoyltransferase

Code accès : MMDB 16186 - Code accès : PDB 1IIC

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4. La S-palmitoylation

La S-palmitoylation (ou S-acylation) est une modification post-traductionnelle qui ajoute, dans la grande majorité des cas, un acide palmitique (acide gras saturé en C16) sur 1 à 4 cystéine(s) d'une protéine membranaire, via une liaison thioesther.

palmitoyl-CoA + [protéine]-L-cysteine <===> [protéine]-S-palmitoyl-L-cysteine + CoA

  • L'acide palmitique est au préalable activé sous forme d'un acyl-CoA : le palmitoyl - CoA.
  • La sérine et la thréonine peuvent aussi, mais plus rarement, être palmitolylées.
  • D'autres acides gras que l'acide palmitique peuvent parfois être ajouté.

palmitoylation palmitic palmitique myristoylation Gly Cys protein acyl transferase membrane

Les protéines sont souvent modifiées de manière séquentielle par des lipides différents :

  • la modification co-traductionnelle par N-myristoylation s'effectue sur un résidu Gly N-terminal après que cette Gly apparaisse suite à l'hydrolyse de la méthionine N-terminale (liée au codon d'initiation de la traduction).
  • cette modification est suivie par la palmitoylation post-traductionnelle des résidus Cys adjacents ou proches d'un résidu Gly N-myristoylé.

La palmitoylation a lieu dans le cytoplasme et n'utilise pas les voies de sécrétion du réticulum endoplasmique.

La palmitoylation augmente l'hydrophobicité de la protéine et donc son aptitude à s'associer aux membranes.

La palmitoylation est essentielle pour le repliement des protéines membranaires impliquées dans la signalisation et le trafic intracellulaires comme les kinases de la famille Src, les GTPases de la famille Ras, les protéines G et les récepteurs couplés aux protéines G .

La palmitoylation est aussi impliquée dans le métabolisme des lipoprotéines, l'apoptose et d'autres processus cellulaires.

La S-palmitoylation est catalysée par les palmitoyl S-acyltransférases qui ont fixées à la membrane.

A l'inverse de la prénylation et de la myristoylation, la palmitoylation est en général réversible du fait de la nature chimique de la liaison thioester établie entre l'acide gras et l'acide aminé. La dé-palmitoylation est catalysée par les palmitoyl-protéines thioesterases (EC 3.1.2.22).

palmitoylation palmitic palmitique myristoylation Gly Cys protein acyl transferase membrane

Ce processus de[palmitoylation - dépalmitoylation] est la seule modification par des qui soit réversible. Cette dynamique d'états modifiés ou pas est un élément clé de la régulation des protéines membranaires palmitoylées, au même titre que la [phosphorylation (kinases) - déphosphorylation (phosphatases)] des protéines.

Palmitoyl-protéines thioesterases : PDB 3GRO.

Les palmitoyl S-acyltransférases (EC 2.3.1.225) contiennent un domaine conservé riche en cystéine avec un motif [DHHC] nécessaire à l'activité enzymatique.

C'est la raison pour laquelle on les appelle aussi les protéines DHHC.

Ce motif est lui-même inclus dans une région plus grande d'environ cinquante acides aminés très conservés, dont le le motif général est : [C-x(2)-C-x(9)-HC-x(2)-C-x(4)-DHHC-x(5)-C-x(4)-N-x(3)-F]

Elles protéines S-acyltransférases s'auto-acylent.

Les palmitoyl acyltransférases DHHC5, DHHC6 et DHHC8 sont S-acylées sur 3 résidus Cys au niveau d'un motif [CCX(7-13)C (S/T)] situé en aval du domaine DHHC conservé. Cette auto-acylation est un mécanisme qui régule probablement la spécificité et/ou l'activité des acyltransférases.

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5. La glypiation

5a. Structure du substrat GPI et structure du site de fixation du GPI

La glypiation est la modification qui ajoute un groupement glycosyl-phosphatidylinositol ou GPI ou ancre GPI sur un acide aminé en position C-terminale de protéines fixées à la membrane du réticulum endoplasmique.

La protéine est fixée à la membrane avant glypiation et le reste après, mais par 2 entités structurales différentes :

  • avant glypiation, la protéine est fixée à la membrane via une partie hydrophobe. Cette partie est hydrolysée.
  • aprés glypiation, la protéine reste fixée ou ancrée à la membrane via une partie du GPI qui a remplacé la partie hydrophobe.

Chez Saccharomyces cerevisiae, l'ancrage GPI est essentiel pour la croissance : sur environ 6200 phases de lecture ouvertes ressencées sur son génome, 60 codent des protéines à ancre GPI.

Du fait qu'elles contiennent des phospholipides, les structures des ancres GPI confèrent une grande mobilité aux protéines membranaires ainsi ancrées.

Une autre caractéristique des ancrages GPI est l'activation potentielle des protéines de la membrane ainsi ancrées, qui peuvent être relarguées par un mécanisme de signalisation impliquant une phospholipase C spécifique (EC 3.1.4.3).

L'ancre GPI est pré-assemblée dans la membrane.

Elle est composée :

  • d'un groupement phosphatidylinositol
  • fixé à un glycane (résidus mannose et N-acétylglucosamine)
  • lui-même lié au groupement phosphoryle de la phosphoéthanolamine

L'acide myristique intervient parfois dans la glypiation. Les ancrages GPI par des formes dipalmitoylées sont les plus courants mais des ancrages par des formes dimyristoylées sont également observés.

glypiation ancre GPI membrane

Le schéma ci-contre indique les 2 séquences signal nécessaires pour un ancrage GPI :

  • la séquence signal N-terminale d'export de la protéine vers le réticulum endoplasmique.
  • la séquence signal C-terminale de reconnaissance par la transamidase.

glypiation ancre GPI membrane

Source : Eisenhaber et al. (2003)

Cette dernière contient 4 régions (notées i à iv - figure ci-dessus) :

  • l'acide aminé sur lequel l'ancre GPI est fixée est appelé le site oméga (ω). Il doit avoir une petite chaîne latérale.
  • l'acide aminé du site(ω+1) peut-être n'importe quel acide aminé à l'exception de la proline et du tryptophane.
  • l'acide aminé du site (ω+2) doit avoir également une petite chaîne latérale.
  • le site (ω+2) est suivi par 5 à 7 acides aminés hydrophiles puis par un segment hydrophobe de 12 à 20 acides aminés.

La forme mature de la protéine après les modifications liées à la glypiation est précisée sur la figure.

Structure shématique de la protéine prion PrP. Sont indiqués :

  • les peptides signaux N- et C-terminaux
  • la région répétée de fixation de l'ion métallique
  • le site de N-glycosylation
  • le point d'ancrage GPI

proteine prion PrP

Source : Gill et al. (2000)

5b. Réaction de glypiation catalysée par la transamidase GPI

Au cours de la glypiation catalysée par la transamidase GPI on suppose que :

  • la transamidase GPI se fixe sur la protéine substrat (séquence signal C-terminale de reconnaissance)
  • elle relargue le peptide signal ce qui forme un intermédiaire carbonyle entre la transamidase GPI et la protéine substrat
  • le groupe amino de l'éthanolamine du GPI pré-assemblé attaque cet intermédiaire pour finir la réaction de transamidation

5c. Structure de la transamidase GPI de Saccharomyces cerevisiae

La transamidase GPI est un complexe protéique constitué des protéines suivantes :


composant acides aminés rôle
GPI8 411 précurseur de la transamidase GPI proprement dite (EC 3.XXX - peptidase C13)
GAB1 394 impliqué dans la reconnaissance du peptide signal d'ancrage du GPI ou dans la reconnaissance de la partie lipidique du GPI
GPI16 602 impliqué dans le transfert du GPI sur la protéine substrat
GPI17 534
GAA1 614 recquise pour l'étape terminale de l'ancrage du GPI sur la protéine substrat affecte l'endocytose

On peut noter qu'il existe un autre mécanisme enzymatique : les acides aminés du peptide signal C-terminal sont relargués par une carboxypeptidase, suivi de la fixation du GPI par une transferase.

5d. Réaction de pré-assemblage du GPI (2è étape)

Voir la voie de biosynthèse : KEGG

La seconde étape de la synthèse de l'ancre GPI est catalysée chez tous les eucaryotes par la N-acétylglucosaminylphosphatidylinositol désacétylase (GPI12 - EC 3.5.1.89).

Elle est située dans la membrane du réticulum endoplasmique.

Réaction : 6-(N-acetyl-D-glucosaminyl)-1-phosphatidyl-1D-myo-inositol + H2O <==> 6-(alpha-D-glucosaminyl)-1-phosphatidyl-1D-myo-inositol + acétate

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Récapitulatif des principales caractéristiques des 4 classes majeures d'acylation des protéines

Source : S. Patterson (2002)

Class of protein acylation N-Myristoylation S-Palmitoylation Prenylation Glypiation
Type of event Cotranslational Posttranslational Cotranslational Cotranslational and posttranslational
Group and bond Amide-linked fatty acid Thioester-linked fatty acid Thioether-linked isoprenoid Polysaccharide-linked phosphatidylinositol
Location of modification N-terminal glycine Predominantly cysteine anywhere in the protein C-terminal cysteine C-terminal amino acid after signal cleavage
Reversibility Stably bonded Fatty acid turns over Stably bonded Stably bonded with fatty acid remodelling
Association with protein synthesis One step, NMT Not known Two-step, Ftase, GGtase Complex synthesis
Type of association With proteins Membrane insertion With proteins, maybe membrane insertion Membrane insertion
Type of proteins modified Intracellular proteins Intracellular or transmembrane proteins Intracellular proteins Cell surface proteins
Effect of modification

Reversible inter- or intra- protein associations

Proteins localize to rafts and polarized cell compartments

Proteins associate reversibly with various intracellular membranes/proteins

Proteins localize to rafts in apical or axonal membrane domains

Abbréviations : NMT, N-myristoyl-transférase - Ftase, farnesyl-transférase - GGtase, géranylgéranyl-transférase

 

6. Liens Internet et références bibliographiques

"PrePS - Prenylation Prediction Suite" : Site web pour la prédicion de sites de farnesylation (CaaX), de géeranylgéranylation (CaaX) et de géranylgéranylation (Rab)

"Proteolipids Structure, Occurrence And Biology"

Myristoylation : "Myristoylator" - Site web pour la prédicion de site de N-myristoylation (réseau de neurones)

Glypiation : "Big-PI Plant Predictor" - Site web pour la prédiction de site de modification par ancrage GPI chez les plante

PRENbase : Base de données spécifiques des protéines prénylées [farnesylation (CaaX), de géeranylgéranylation (CaaX) et de géranylgéranylation (Rab)]

PrePS

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Myristoylator

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PRENbase

Gill et al. (2000) "Post-translational hydroxylation at the N-terminus of the prion protein reveals presence of PPII structure in vivo" EMBO J. 19, 5324 - 5331

S.Patterson (2002) "Posttranslational protein S-palmitoylation and the compartmentalization of signaling molecules in neurons" Biol. Res. 35, 139 - 150

Tucker et al. (2002) "The synthesis and biological evaluation of a series of potent dual inhibitors of farnesyl and geranyl-Geranyl protein transferases", Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 12, 2027 - 2030

Eisenhaber et al. (2003) "Glycosylphosphatidylinositol Lipid Anchoring of Plant Proteins. Sensitive Prediction from Sequence- and Genome-Wide Studies for Arabidopsis and Rice" Plant Physiol. 133, 1691 - 1701

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