1. Introduction

a. Glossaire
b. Principes généraux de la biogenèse des protéines transmembranaires

2. Rôle clé du réticulum endoplasmique (RE) dans la biogénèse de très nombreuses protéines transmembranaires

a. Les séquences d'adressage vers le RE et les peptides signaux du RE
b. La particule de reconnaissance du signal (SRP)
c. Les canaux de translocation ou translocons
d. La voie GET d'insertion des protéines transmembranaires
e. Le complexe protéique transmembranaire du RE (EMC)
f. Synthèse des voies d'insertion des protéines transmembranaires dans le RE

3. L'import de protéines précurseurs dans la mitochondrie

a. Principe général
b. Les grandes voies d'import dans la mitochondrie
c. La voie d'import de protéines avec une pré-séquence hydrolysable
d. La voie d'import des protéines qui possèdent un motif spécifique de cystéines
e. OXA1 : la voie d'import/export de la matrice vers la membrane interne de la mitochondrie

4. Insertion des protéines de topologie en tonneau β dans les membranes des mitochondries

a. Généralités
b. Rôle de la porte latérale de Sam50 dans l'insertion des protéines en tonneau β
c. Caractéristiques des protéines en tonneau β

5. Structure de la membrane interne des mitochondries - Le complexe MICOS

6. Contacts entre le RE et la mitochondrie

7. Biogénèse des protéines des membranes des chloroplastes

8. Biogénèse des protéines des membranes des peroxysomes

a. Généralités
b. Mécanismes d'import dans la membrane et dans la matrice

9. Les protéines des membranes des bactéries

a. La membrane externe
b. Biogénèse des protéines en tonneau β de de la membrane externe
c. Protéines de la membrane interne des bactéries : voies SEC et TAT

10. Liens Internet et références bibliographiques

1. Introduction

Toute forme de vie nécessite une barrière physique qui sépare les environnements intracellulaire et extracellulaire : cette barrière est constituée par les différents types de membranes.

Environ 25% des gènes codent des protéines membranaires intégrales (PMI). Celles-ci sont insérées :

• Directement dans la membrane plasmique des bactéries et des archées qui, de manière générale, ne possèdent pas de compartiments sub-cellulaires.
• Dans la membrane du réticulum endoplasmique (RE) des eucaryotes pour la grande majorité de leurs PMI : ces protéines s'y replient et s'y assemblent avant d'être adressées à leur localisation membranaire finale.
• Dans les membranes des mitochondries, des chloroplastes et des peroxysomes des eucaryotes.

Les PMI peuvent être classées en :

• Protéines monotopiques intégrées dans un feuillet de la membrane. Il existe 4 types d'interactions entre ce type de protéines et les membranes cellulaires : (i) via une hélice α amphipathique parallèle au plan de la membrane; (ii) via une boucle hydrophobe; (iii) via un lipide membranaire covalemment lié; (iv) via des interactions ioniques ou électrostatiques avec des lipides membranaires.
• Protéines polytopiques ou protéines transmembranaires qui traversent la membrane au moins une fois. Elles peuvent avoir une topologie différente selon l'orientation des extrémités N- et C-terminales des domaines transmembranaires par rapport aux faces interne et externe de la membrane. Les PMI dites multipasses traversent la membrane plusieurs fois : le repliement correct des segments transmembranaires est un défi supplémentaire.

La structure des PMI répond à deux types d'architecture ou topologie :

(i) Le faisceau d'hélices ("α-helix bundle")

• Le RE des eucaryotes est un dérivé issu de l'évolution de la membrane plasmique des procaryotes : en conséquence, leurs machineries d'insertion ont des liens et partagent des principes mécanistiques clés.
• Les segments transmembranaires des protéines du RE et de la membrane plasmique des procaryotes sont généralement α-hélicoïdaux : cette configuration structurale permet au squelette amide hydrophile de la protéine d'être protégé par un ensemble de liaisons hydrogènes de l'intérieur hydrophobe des deux couches lipidiques.
• Les protéines en faisceau d'hélices se trouvent dans toutes les membranes cellulaires. Elles sont donc beaucoup plus nombreuses et assurent des fonctions bien plus diversifiées (récepteurs, transporteurs, canaux, enzymes, … ).

(ii) Le tonneau β ("β-barrel")

• Les PMI dites en tonneau β se trouvent dans la membrane externe des bactéries Gram-, dans les membranes des mitochondries et des chloroplastes.
• Elles y jouent de multiples rôles. Exemples : sous-unités de certaines translocases de pré-protéines, porines (transport de solutés), lipocalines, ...
• Étant exposées à la surface des bactéries, de nombreuses protéines de ce type sont des sites de fixation des bactériophages et des toxines bactériennes.

Les PMI sont essentielles pour de nombreux processus tels que l'adhésion cellulaire et la reconnaissance entre cellules, le trafic membranaire (les divers transports) ou le trafic vésiculaire et leur régulation, les cascades de signalisation, l'établissement de la polarité cellulaire, ... Ces protéines sont donc des cibles thérapeutiques importantes.

Leur fonction repose sur leur homo- ou hétéro-oligomérisation et cette complexité, combinée à celles des bicouches lipidiques, rendent particulièrement difficiles leur purification, la détermination de leur stœchiométrie et la cinétique des évènements structuraux (dynamique des complexes membranaires) qui contrôlent leur régulation.

Voir un cours sur les constituants des membranes biologiques.

a. Glossaire

b. Principes généraux de la biogenèse des protéines transmembranaires

C'est l'un des processus cellulaires les plus anciens et ses mécanismes sont remarquablement conservés. La biogenèse des protéines membranaires peut être divisée en 4 étapes :

• L'adressage : processus par lequel une protéine naissante est délivrée à la membrane où elle sera insérée.
• L'insertion dans la membrane des domaines transmembranaires avec une topologie appropriée. Certaines parties de la chaîne polypeptidique peuvent être dans le cytosol.
• La plupart des chaînes polypeptidiques nécessitent des étapes de repliement supplémentaires dans la membrane.
• Enfin, de nombreuses PMI sont assemblées avec des partenaires obligatoires pour leur fonction.

Source : Hegde & Keenan (2021)
TMD ("TransMembrane Domains") : domaines transmembranaires; ABC : "ATP-Binding Cassette"; C : extrémité C-terminale; GPCR ("G-Protein-Coupled Receptor") : récepteur couplé à une protéine G; N : extrémité N-terminale; SNARE : traffic vésiculaire.

Le génome humain code environ 5.000 PMI composées de environ 20.000 domaines transmembranaires qui diffèrent considérablement par leur séquence, par leurs propriétés biophysiques, par leur(s) emplacement(s) dans la protéine et par leur topologie.

La machinerie d'adressage et d'insertion doit donc assumer de nombreuses fonctions délicates pour insérer une telle diversité de PMI dans les divers types de membranes.

• Les domaines transmembranaires hydrophobes des PMI doivent être protégés du cytosol aqueux très concentré en protéines (environ 300 mg/ml) car toute interaction inappropriée avec ces protéines favoriserait une agrégation délétère. Les domaines transmembranaires doivent donc être reconnus par une machinerie d'adressage lorsqu'ils émergent du ribosome.
• Les PMI doivent être adressées à l'organite approprié ce qui nécessite que les facteurs d'adressage cytosoliques se fixent à des récepteurs membranaires spécifiques.
• Les domaines transmembranaires ont besoin d'une voie de transport de la surface de la membrane fortement polaire vers le coeur hydrophobe des deux couches lipidiques. Cette insertion des domaines transmembranaires doit être asymétrique, avec une orientation finale compatible avec l'état replié de la PMI.
• La longueur des domaines transmembranaires peut ne pas correspondre à l'épaisseur de la bicouche lipidique du RE du fait de différences de composition membranaire entre le RE et la destination membranaire finale de la PMI.

En conséquence, la machinerie d'insertion doit reconnaître, orienter et fournir un chemin dans la membrane pour une gamme extrêmement diverse de séquences, et donc de structures, protéiques.

La plupart des PMI de la cellule peuplent la membrane plasmique et les compartiments subcellulaires des voies de sécrétion et d'endocytose. Ces protéines sont initialement assemblées au niveau du RE, où les domaines transmembranaires des PMI sont intégrés dans la membrane et où la topologie finale est acquise.

• Si ces étapes de la biogenèse des PMI réussissent, les PMI sont adressée à l'endroit de la cellule où elle fonctionnent.
• Sinon, l'une des nombreuses voies de contrôle de la qualité les achemine vers un processus de dégradation.

2. Rôle clé du RE dans la biogénèse de très nombreuses protéines transmembranaires

Le RE joue un rôle essentiel dans la synthèse, les modifications et le transport de molécules biochimiques utilisées à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.

• La membrane du RE est le siège de la synthèse des PMI et des lipides de certains organites : le RE lui-même, l'appareil de Golgi, les lysosomes, les endosomes et les vésicules de sécrétion, la membrane plasmique.
• En effet, le RE possède les enzymes de synthèse des lipides (trop hydrophobes pour être solubilisés dans le cytoplasme) qui sont insérés dans sa propre membrane.

L'import des protéines dans le RE est un processus essentiellement co-traductionnel mais certaines PMI sont insérées dans le RE de manière post-traductionnelle :

• La majorité des protéines sécrétées de la cellule et celles destinées à la lumière du RE, de l'appareil de Golgi ou des lysosomes sont donc d'abord orientées dans la lumière du RE à l'aide d'une séquence signal dans leur chaîne polypeptidique en cours de synthèse.
• Cette séquence est un signal pour le ralentissement de la traduction et elle arrime les ribosomes (auxquels sont fixées les chaînes polypeptidiques inachevées) aux protéines du RE :
  • La traduction se poursuit alors à l'intérieur de la membrane du RE. Ainsi, quand la protéine est complètement synthétisée, elle est déjà insérée dans une membrane.
• La chaîne polypeptidique des protéines qui restent dans le RE contient une séquence spécifique d'acides aminés, appelée signal de rétention, qui retient ces protéines résidentes dans le RE.

a. Les séquences d'adressage vers le RE et les peptides signaux du RE

Günter Blobel a reçu le Prix Nobel en 1999 pour sa découverte que les protéines ont des signaux intrinsèques qui régissent leur transport et leur localisation dans la cellule.

Une séquence d'adressage située à au moins 65 acides aminés de l'extrémité C-terminale est requise pour un adressage co-traductionnel.

• Cette contrainte de distance résulte du fait que le site de reconnaissance de la séquence d'adressage par la particule de reconnaissance du signal ("Signal Recognition Particle" - SRP) est situé à environ 35 acides aminés du centre de la peptidyltransférase à l'intérieur du ribosome.
• Après la reconnaissance, l'adressage vers le RE médié par la SRP prend environ 5 à 7 secondes, au cours desquelles environ 30 autres acides aminés peuvent être synthétisés.
• L'adressage co-traductionnel ne se produit donc que si la traduction n'est pas terminée pendant cette période, raison pour laquelle la SRP nécessite que les signaux d'adressage soient éloignés de l'extrémité C-terminale.

La plupart des peptides signaux (ou séquences signal) du RE sont constitués :

• d'une sous-séquence N-terminale polaire qui facilite leur insertion frontale initiale et leur inversion ultérieure
• d'une sous-séquence centrale hydrophobe ("h-region")
• d'une sous-séquence C-terminale polaire contenant les résidus d'acides aminés qui dirigent l'hydrolyse de la séquence signal

Source : O'Keefe & High (2020)

Les peptides signaux contenant une région h hydrophobe peuvent ouvrir seuls le canal Sec61.

Les protéines qui possèdent un peptide signal de faible hydrophobicité nécessitent des composants accessoires :

• Le complexe TRAP ("Translocon-Associated Protein") est localisé dans la membrane du RE et s'associe au canal translocon Sec61 sous forme d'hétérotétramère (sous-unités alpha, bêta, gamma et delta).
• Le complexe TRAP aide à la translocation des protéines précurseurs qui ont des peptides signaux de faible hydrophobicité dans la région h et/ou une teneur élevée en glycine/proline.
• Le complexe TRAP interagit avec la calnexine (protéine qui fixe le calcium) : cette interaction est nécessaire pour le contrôle qualité du repliement correct des protéines glycosylées. En effet la calnexine interagit elle-même avec les glycoprotéines nouvellement synthétisées dans le RE.
• Le complexe TRAP aide à l'assemblage des protéines et/ou à la rétention dans le RE de sous-unités protéiques non assemblées.
• Le complexe TRAP peut également être impliqué dans la dégradation associée au RE.

Source : Pfeffer et al. (2017) - OST : oligosaccharyltransferase

Sec62/Sec63 facilitent également la translocation co-traductionnelle de protéines sécrétoires avec des peptides signaux caractérisés généralement par une région h plus longue avec une hydrophobicité plus faible et une région c de polarité réduite.

b. La particule de reconnaissance du signal ("Signal Recognition Particle" - SRP)

Le complexe SRP, le ribosome et la RNAse P sont les 3 particules ribonucléoprotéiques conservées dans tous les règnes du vivant.

Chez les bactéries, SRP est constituée d'une molécule d'ARN 4,5S et de la protéine Ffh (homologue de la sous-unité SRP54, voir ci-dessous).

Chez les eucaryotes, le complexe SRP peut être structuralement et fonctionnellement divisé en 2 domaines :

Source : Morgana et al. (2021)

• Le domaine Alu, composé du domaine I d'un ARN 7S et des sous-unités SRP9 et SRP14.
• Le domaine S, composé des domaines II à IV de l'ARN 7S et des sous-unités SRP19, SRP54, SRP68 et SRP72.
• Le chiffre SRPX indique la masse molaire (en kDa) approximative de la sous-unité.

Mécanisme

Voir une belle vidéo du mécanisme : "Signal-Recognition-Particle".

Le complexe SRP se fixe au récepteur de SRP :

• La sous-unité SRP54 est un élément clé de la reconnaissance de la séquence signal, de l'interaction avec le ribosome et de l'interaction avec le récepteur de SRP.
• Le complexe [ribosome - chaîne polypeptidique en cours de biosynthèse] est ainsi adressé à la membrane plasmique chez les procaryotes ou à la membrane du RE chez les eucaryotes via l'interaction du complexe SRP avec le récepteur de SRP.
• Ce complexe est ensuite transféré au translocon Sec61 chez les eucaryotes ou au translocon SecYEG chez les bactéries et les archées.

Le complexe SRP ralentit l'élongation de la chaîne polypeptidique en cours de biosynthèse ("elongation arrest").

La chaîne polypeptidique en cours d'élongation emprunte le canal pour passer entièrement dans la lumière du RE (dans le cas d'une protéine sécrétée, dirigée vers l'appareil de Golgi) ou pour être intégrée à la membrane (dans le cas d'une PMI). Il s'agit donc d'un transport co-traductionnel puisque l'élongation de la chaîne polypeptidique continue pendant le passage dans le RE.

Cependant, chez les eucaryotes, SRP participe également :

• au tri post-traductionnel des protéines membranaires ancrées par une extrémité
• à l'import post-traductionnel de certaines protéines codées par le noyau vers la membrane des thylacoïdes des chloroplastes

Le complexe SRP et le récepteur de SRP se dissocient pour participer à la translocation d'une autre chaîne polypeptidique en cours de biosynthèse Le cycle SRP est un processus dont l'énergie est fournie par l'hydrolyse du GTP : le complexe SRP et le récepteur de SRP possèdent une activité GTPase.

Source : Numerade

L'ARN 7SL

• L'ARN 7S est appelé 7SL ou 4,5S. Il contient 300 nucléotides.
• Voir : SRP clan (base de données RFAM); 7SL et domaine Alu : PDB 1E8S

L'ARN 7SL est constitué de 4 domaines (I-IV) composés de 12 hélices (1-12) qui contiennent 4 motifs conservés qui constituent les sites d'interaction avec les sous-unités de SRP. L'ARN 7SL se replie dans une structure secondaire double brin cruciforme où le domaine S en forme de "Y" est la région centrale de l'ARN.

Les sous-unités SRP9 et SRP14 possèdent une structure super-secondaire [αβββα], topologie similaire à celle des protéines de liaison à l'ARN double brin : elles forment un hétérodimère stable qui reconnaît le motif "UGUNR" de l'ARN, localisé à l'extrémité 5' hautement conservée du domaine Alu de l'ARN 7SL.

Conformément à son rôle dans l'arrêt de l'élongation, le domaine Alu se lie à l'interface avec le ribosome (voir la figure 8 de l'article Soni et al., 2021).

Le récepteur de SRP est un hétérodimère :

• La sous-unité α (≈ 70 kDa) est une GTPase membranaire périphérique.
• La sous-unité β (≈ 25 kDa) est une GTPase transmembranaire qui ancre la sous-unité α à la membrane du RE.
• La sous-unité SRP54 est un élément clé de l'interaction avec le récepteur de SRP.

c. Les canaux de translocation ou translocons

De nombreuses chaînes polypeptidiques doivent être transportées au travers d'un canal "conducteur" de protéines :

• Le canal appélé Sec61 (complexe trimèrique constitué des 3 "protein-export membrane proteins" Secα, Secβ et Secγ) dans la membrane du RE des eucaryotes.
• Le canal appelé SecYEG (complexe trimèrique constitué des 3 "protein-export membrane proteins" SecY, SecE et SecG) dans la membrane plasmique des procaryotes. Voir la structure de SecY de Methanococcus jannaschii : PDB 1RHZ.
• Sec : abréviation de "secretory".

(i) Les protéines qui possèdent une séquence signal hydrophobe sont déplacées de manière co-traductionnelle au travers du canal Sec61 (ou SecYEG) :

• La séquence signal (située à ou près de l'extrémité N-terminale du polypeptide en cours de biosynthèse) s'associe à SRP qui ralentit la synthèse.
• Puis le récepteur de SRP guide le complexe [ribosome - chaîne polypeptidique en cours de biosynthèse] vers Sec61.
• Après l'hydrolyse du GTP, SRP se dissocie du ribosome et du récepteur de SRP, ce qui déclenche la reprise de la synthèse de la chaîne polypeptidique qui s'insère dans Sec61.

40S et 60S : sous-unités 40S et 60S du ribosome; SR : récepteur hétérodimérique de la SRP

(ii) Les protéines qui possèdent une séquence signal moins hydrophobes contournent SRP et sont déplacés au travers du canal après la traduction :

• Chez les eucaryotes, la translocation post-traductionnelle est médiée par l'association du canal Sec61 à un autre complexe protéique membranaire tétramèrique : le complexe [Sec62/Sec63/Sec71(Sec66)/SEc72].
• Les protéines substrats sont déplacées au travers du canal par la BiP-ATPase située dans la lumière du RE.
• Sec63 provoque une large ouverture de la porte latérale du canal Sec61, amorçant le passage de séquences signal de faible hydrophobicité dans la phase lipidique.
• L'ouverture latérale du canal est déclenchée par l'interaction de Sec63 avec les deux boucles cytosoliques du domaine C-terminal de Sec61 et les segments transmembranaires du domaine N-terminal de Sec61.
• Le domaine cytosolique Brl de Sec63 bloque la fixation du ribosome au canal et recrute Sec71 et Sec72, les positionnant pour la capture de polypeptides associés à l'HSP70 cytosolique.
• Sec63 interagit avec Sec62 via des résidus d'acides aminés chargés négativement près de l'extrémité C-terminale de Sec63 et chargés positivement dans le domaine N-terminal de Sec62.

Source des deux figures : Linxweiler et al. (2017)

BiP-ATPase ("Endoplasmic reticulum chaperone BiP", E.C. 3.6.4.10) :

• C'est une protéine chaperon (non chaperonine) de la lumière du RE qui joue un rôle clé dans le repliement des protéines et le contrôle qualité de ce repliement.
• Elle peut se lier à la boucle de Sec61α située dans la lumière du RE.

d. La voie GET d'insertion des protéines transmembranaires

La voie GET ("Guided-Entry of TA proteins") est requise pour l'insertion des protéines membranaires ancrées par une extrémité (ou "Tail-Anchored (TA) proteins") dans le RE de la levure et des mammifères. Certains gènes orthologues ont également été identifiés chez les plantes supérieures.

Source : Shu-ou Shan (2019)

• La protéine TA libérée par le ribosome (étape 1) est capturée par Ssa1 (étape 2) : cette étape est en compétition avec l'agrégation de la protéine TA (processus du contrôle qualité du repliement dans le cytosol a).
• Ssa1 transfère la protéine TA à Sgt2 (étapes 3 et 4) puis à GET3 (étapes 5 et 6). Ce second transfert se produit probablement via un mécanisme activé par un complexe protéique (GET4 et GET5).
• Enfin, GET3 délivre la protéine TA aux récepteurs GET1 et GET2 (étape 7) pour l'insertion dans la membrane du RE.

e. Le complexe protéique membranaire du RE (EMC)

Chez l'homme, le complexe protéique EMC ("ER membrane protein Complex") est constitué de 10 sous-unités (≈ 200 x 70 x 100 Å) qui a une fonction d'insertase membranaire selon un processus indépendant de l'énergie (hydrolyse de l'ATP). L'EMC de la levure contient 8 sous-unités.

Le complexe EMC insère :

• De préférence des protéines avec des domaines transmembranaires faiblement hydrophobes ou possèdant des acides aminés déstabilisants (résidus chargés et aromatiques).
• Certaines protéines ancrées par une extrémité de leur chaîne polypeptidique de manière post-traductionnelle.
• Certaines protéines membranaires traversant la membrane par plusieurs hélices de manière co-traductionnelle. Par exemple, il contrôle la topologie de certaines PMI multipasses comme les récepteurs couplés aux protéines G en insérant les domaines transmembranaires N-terminaux selon une topologie N_exo.

Schématiquement, la réaction catalysée par le complexe EMC est : protéine ancrée par l'extrémité C-terminale avec des domaines transmembranaires faiblement hydrophobes (associée à la calmoduline dans le cytoplasme) ou PMI de type III => protéine ancrée par l'extrémité C-terminale à la membrane du RE avec des domaines transmembranaires faiblement hydrophobes ou PMI de type III

• La sous-unité membranaire EMC3 appartient à la superfamille des insertases Oxa1 qui inclue également YidC des bactéries, Ylp1 des archées et WRB des eucaryotes.
• GET1 et EMC3 peuvent avoir évolué à partir de l'insertase ancestrale des procaryotes de la famille YidC.

Voir : "The Endoplasmic Reticulum Membrane Protein Insertion Complex (EMC) Family" - base de données "Transporter Classification Database"

f. Synthèse des voies d'insertion des protéines transmembranaires dans le RE

De multiples voies d'insertion fonctionnent en parallèle au niveau du RE pour tenir compte de la grande diversité de structures (topologies) et de propriétés physico-chimiques des PMI à insérer.

(a) Comparaison de l'insertion non assistée, médiée par l'insertase et médiée par les canaux pour les domaines transmembranaires (DTM).

• L'insertion d'un DTM hydrophobe dans la membrane hydrophobe est énergétiquement favorable et la translocation d'un domaine flanquant hydrophile au travers de la membrane est défavorisée.
• Les insertases abaissent la barrière d'énergie nécessaire à la translocation du domaine flanquant afin de faciliter l'insertion du DTM. Les canaux permettent à de longs domaines flanquants d'être déplacés en fournissant un conduit aqueux continu au travers de la membrane.

(b) Le complexe Sec61 contient un canal aqueux ("aqueous channel") pour la translocation des protéines et une porte latérale ("lateral gate") pour l'insertion de segments hydrophobes dans la membrane. Quand il est fermé, un domaine particulier appelé "plug domain" obture ce canal.

Source : Hegde & Keenan (2021)

(c) Une PMI de type I contient un peptide signal qui engage la porte latérale de Sec61. Le segment polypeptidique qui suit est enfilé au travers du canal Sec61 puis le peptide signal est hydrolysé. Un DTM situé en aval pénètre dans le canal Sec61 puis dans la membrane via la porte latérale de Sec61.

(d) Une PMI de type II utilise son premier DTM pour engager la porte latérale de Sec61 de la même manière qu'un peptide signal. Le DTM pénètre dans la membrane par la porte latérale et le polypeptide situé en aval est transloqué par le canal Sec61.

Source : Hegde & Keenan (2021)

(e) Insertion par la voie d'entrée guidée d'une protéine ancrée par une extrémité ("Guided Entry of Tail-anchored (TA) protein" - GET).

• Un complexe d'adressage constitué de [l'ATPase GET3 et d'une protéine ancrée par une extrémité] est capturé par le domaine cytosolique de CAMLG/GET2. La fixation de l'ATP induit un changement de conformation de GET3 (dimère fermé) facilitant la reconnaissance de la protéine ancrée par une extrémité.
• Puis le domaine cytosolique de GET1 libère la protéine ancrée par une extrémité de GET3.
• Le DTM de la protéine ancrée par une extrémité s'insère dans la membrane en utilisant une poche hydrophile de GET1 pour faciliter la translocation de la courte extrémité C-terminale.

(f) Insertion d'une protéine ancrée par une extrémité par le complexe protéique membranaire du RE ("ER membrane protein complex" - EMC).

• Le DTM de la protéine ancrée par une extrémité (maintenu soluble dans le cytosol par une protéine chaperon) engage le domaine cytosolique de l'EMC.
• Puis le DTM est inséré dans la membrane, en utilisant une poche hydrophile de EMC3 pour faciliter la translocation de la courte extrémité C-terminale.

Source : Hegde & Keenan (2021)

(g) Insertion de PMI de type III par l'EMC.

• Un ribosome qui traduit une protéine contenant le DTM est dirigé vers le RE par SRP et le récepteur de SRP. À ce stade, le ribosome est suffisamment éloigné de la membrane pour permettre transitoirement à l'EMC d'échantillonner la région proche de la protéine naissante.
• Le DTM engage le domaine cytosolique de l'EMC et est inséré dans la membrane, en utilisant la poche hydrophile de EMC3 pour faciliter la translocation de la courte extrémité C-terminale.
• Le ribosome est ensuite rapproché de la membrane en s'arrimant à Sec61, où le reste de la chaîne polypeptidique est synthétisé et inséré.

Source : Hegde & Keenan (2021)

3. L'import de protéines précurseurs dans la mitochondrie

Voir un rappel sur la structure, le génome et les propriétés des mitochondries.

a. Principe général

Du point de vue ultra-structural, la mitochondrie est constituée de 2 membranes (externe et interne) séparées par l'espace inter-membranaire et qui englobent la matrice.

Seules 13 protéines mitochondriales sont codées par le génome de la mitochondrie :

• Parmi ces protéines, on peut mentionner les chaînes polypeptidiques qui constituent les sous-unités des complexes I, III et IV de la chaîne respiratoire et les modules F0-F1 de l'ATP synthase.
• Elles sont synthétisées par des mitoribosomes associés à la membrane interne de la mitochondrie dans laquelle elles sont intégrées de manière co-traductionnelle par le complexe OXA1 ("OXidase Assembly protein 1").

En conséquence, plus de 99% des ≈ 1500 protéines mitochondriales sont synthétisées sous forme de précurseurs par les ribosomes dans le cytosol :

• Les chaînes polypeptidiques de ces protéines précurseurs possèdent des signaux d'adressage, sous la forme d'une pré-séquence hydrolysable ou non , qui les dirigent vers le sous-compartiment mitochondrial correct.
• Les pré-séquences sont une longueur moyenne de 15 à 50 acides aminés.
• Le contrôle qualité (associé au ribosome) élimine les chaînes polypeptidiques en cours de biosynthèse - dans le cytosol et sur les mitochondries - qui sont défectueuses : ces chaînes sont dirigées vers la dégradation par les protéasomes.
• En revanche, les chaînes polypeptidiques des protéines précurseurs maintenues par les chaperons cytosoliques dans un état déplié compatible avec l'import sont adressées à la mitochondrie.

b. Les grandes voies d'import dans la mitochondrie

Différentes voies d'import des pré-protéines du cytosol ont été identifiées selon les organismes :

• Les translocons dans la membrane externe : TOM, MIM et SAM
• Les translocons dans la membrane interne : TIM22, TIM23 et OXA1

Le choix du translocon (ou machineries d'import ) dépend de :

• Du signal d'adressage spécifique (la pré-séquence des protéines précurseurs).
• De la destination finale de ces pré-protéines dans la mitochondrie.

Source : Pfanner et al. (2019)

α. La voie d'import des protéines qui possèdent une pré-séquence hydrolysable ("the presequence pathway")

• Le complexe translocase de la membrane externe ("Translocase of the Outer Membrane complex" - TOM) est la principale voie d'entrée dans la mitochondrie de la plupart des pré-protéines codées par le génome nucléaire.
• Puis les pré-protéines qui contiennent une pré-séquence sont ensuite importées par le complexe translocase de préséquence de la membrane interne ("presequence Translocase of the Inner Membrane complex" - TIM23). Ces pré-séquences sont protéolysées par des enzymes spécifiques.

Dans les autres voies d'import des protéines dans la mitochondrie, les protéines précurseurs ne contiennent pas de pré-séquences hydrolysables : elles possèdent différents signaux d'adressage.

β. La voie de la translocase porteuse ("the carrier pathway") : les précurseurs des protéines porteuses hydrophobes multipasses de la membrane interne sont importés par TOM, par les petits chaperons TIM de l'espace intermembranaire et par la translocase porteuse de la membrane interne ("carrier Translocase of the Inner Membrane" - TIM22).

γ. La voie d'import des protéines de topologie en tonneau β ("the β-barrel pathway") : les précurseurs des protéines de la membrane externe de la mitochondrie dont la structure a une topologie en tonneau β utilisent le complexe TOM et des petits chaperons TIM, suivis d'une insertion dans la membrane externe par la machinerie de tri et d'assemblage ("Sorting and Assembly Machinery " - SAM).

δ. La voie d'import des protéines qui possèdent un motif spécifique de cystéines : de nombreuses protéines de l'espace intermembranaire mitochondrial sont petites et contiennent des motifs spécifiques de cystéines (formation ou non de ponts disulfures dépendante de l'état rédox). Ces protéines sont importées via TOM et la machinerie d'import et d'assemblage mitochondrial ("Mitochondrial Import and Assembly" - MIA) de l'espace intermembranaire.

ε. La voie d'import des protéines qui possèdent des segments transmembranaires α-hélicoïdaux : certaines protéines de la membrane externe qui possèdent des segments transmembranaires α-hélicoïdaux sont importées par le complexe d'import mitochondrial ("Mitochondrial Import" - MIM) : ce complexe permet l'import de protéines qui possèdent une séquence signal d'ancrage N-terminale et l'import de protéines multipasses (polytopiques).

c. La voie d'import des protéines qui possèdent une pré-séquence hydrolysable ("the presequence pathway")

C'est la voie d'import vers la matrice mitochondriale : les protéines de la matrice représentent environ 60% des protéines de la mitochondrie.

Source : Wiedemann & Pfanner (2017)

Les protéines précurseurs possèdent un signal d'adressage N-terminal appelé pré-séquence qui forme des hélices amphipathiques chargées positivement. Ces pré-séquences sont généralement reconnues par les récepteurs TOM (Tom20 et Tom22) à la surface des mitochondries et elles dirigent la translocation au travers du translocon principal de la membrane externe Tom40.

• Lors de la translocation au travers de la membrane externe, les pré-protéines sont prises en charge par la translocase de pré-séquence de la membrane interne (complexe TIM23) qui dirige leur transport au travers de la membrane interne.
• Le potentiel de membrane (Δψ) de la membrane interne (négatif à l'intérieur) active le canal Tim23 et dirige les pré-séquences chargées positivement vers la matrice.

Le moteur associé à la translocase de pré-séquence ("Presequence translocase-Associated Motor" - PAM) contient l'HSP70 mitochondriale (chaperon central piloté par l'ATP) et 5 cinq co-chaperons. PAM favorise la translocation de l'ensemble de la chaîne polypeptidique dans la matrice.

Les pré-séquences sont éliminées par la peptidase hétérodimérique de traitement mitochondrial ("Mitochondrial Processing Peptidase" - MPP - E.C. 3.4.11.21).

Des enzymes de la matrice sont impliquées dans le contrôle qualité des chaînes polypeptidiques :

• L'aminopeptidase de clivage intermédiaire de 55 kDa ("Intermediate cleaving peptidase of 55 kDa" - ICP55 - E.C. 3.4.11.21) et l'octapeptidyl peptidase Oct1 (E.C. 3.4.24.59) éliminent les résidus d'acides aminés déstabilisants localisés à l'extrémité N-terminale de la chaîne polypeptidique des protéines importées après hydrolyse par MPP.
• En effet, l'extrémité N-terminale plus stable est moins sujette à la dégradation par les protéases de la matrice.

Enfin les protéines sont repliées dans leur forme native - active par l'HSP70 et d'autres protéines chaperons telles que HSP10 - HSP60.

d. La voie d'import des protéines qui possèdent un motif spécifique de cystéines

Certaines petites protéines ["small cysteine-containing proteins (small Tim)" - 8 à 22 kDa], codées par le génome nucléaire, qui contiennent un motif double CX_3-9C sont d'abord transloquées par la tranlocase TOM de la membrane externe.

Puis la machinerie d'import et d'assemblage mitochondrial ("Mitochondrial Import and Assembly" - MIA) de l'espace intermembranaire crée des ponts disulfure au sein des protéines transloquées ce qui les maintient dans l'espace intermembranaire des mitochondries.

Source : Dickson-Murray et al. (2021)

La séquence signal hydrophobe ITS ("Intermembrane space Targeting Signal") interagit avec Mia40 qui contient 6 cystéines au sein d'un motif CPC-CX₉C-CX₉C :

• La chaîne polypeptidique importée est libérée sous forme oxydée et correctement repliée.
• Le motif CPC de Mia40 est réduit et doit être réoxydé pour permettre d'autres réactions d'import : cette réoxydation est catalysée par la sulfhydryl oxydase à FAD ERV1.
• Les électrons sont ensuite transférés à l'oxygène moléculaire (formation de péroxyde d'hydrogène) ou au cytochrome c et au complexe IV de la chaîne respiratoire en conditions aérobies ou à Osm1 en conditions anaérobies.

e. OXA1 : la voie d'import/export de la matrice vers la membrane interne de la mitochondrie

OXA1 ("Oxidase Assembly 1") a plusieurs rôles :

• Les protéines codées par le génome de la mitochondrie sont synthétisées par les ribosomes mitochondriaux dans la matrice puis exportées dans la membrane interne par la translocase OXA1. Le récepteur de mitoribosome Mba1 (qui se fixe à la grande sous-unité) assure la translocation co-traductionnelle des chaînes polypeptidiques.
• Par ailleurs, certaines protéines porteuses de pré-séquence importées dans la matrice via la machinerie TOM-TIM23 sont exportées dans la membrane interne via OXA1.
• OXA1 est indispensable pour l'assemblage de la translocase TIM22.

Source : Wiedemann & Pfanner (2017)

4. Insertion des protéines de topologie en tonneau β ("β-barrel") dans les membranes des mitochondries

a. Généralités

La membrane externe de la mitochondrie contient des protéines qui ont une topologie structurale en tonneau β ("β-barrel proteins") qui établissent une communication entre le cytosol et l'intérieur de la mitochondrie.

L'insertion de protéines en tonneau β dans la membrane externe est médiée par la machinerie de tri et d'assemblage mitochondrial multi-sous-unités SAM("multisubunit mitochondrial Sorting and Assembly Machinery", également appelée TOB).

Source : Diederichs et al. (2020)

On trouve également une topologie structurale en tonneaux β dans :

• Les sous-unités de certaines translocases de la membrane interne de la mitochondrie et les porines.
• La famille des lipocalines (vertébrés, végétaux, invertébrés et bactéries Gram-) : tonneau β antiparallèle à 8 brins suivi d'une hélice C-terminale.

b. Rôle de la porte latérale de Sam50 dans l'insertion des protéines en tonneau β

Le précurseur de la protéine en tonneau β est transféré via Sam50 jusqu'à la porte latérale formée par le brin β 1 et le brin β 16.

Lors de l'ouverture de la porte latérale, le signal de la protéine précurseur remplace le signal β endogène de Sam50.

Une boucle conservée dans Sam50 ("loop 6" - motif de liaison IRGF) favorise la fixation de la séquence signal à la porte latérale puis l'insertion des structures β dites en épingles à cheveux ("β hairpins") qui suivent.

La protéine en tonneau β repliée est libérée dans la membrane externe.

Source : Höhr et al. (2018)
Po : résidu d'acide aminé polaire; G : glycine ; Hy : résidu d'acide aminé hydrophobe; C : C terminal

Caractéristiques de Sam50

Sam50 (ou Tob55) est un membre de la superfamille Omp85 typique des membranes externes des bactéries Gram-, des mitochondries et des chloroplastes. La caractéristique de cette superfamille est son domaine transmembranaire C-terminal en tonneau β.

• Il y a environ 1500 molécules de Sam50 par cellule chez la levure.
• Sam50 est un tonneau transmembranaire à 16 brins β avec un domaine POTRA s'étendant dans l'espace intermembranaire.
• Le domaine POTRA est un domaine N-terminal (environ 100 acides aminés) impliqué dans la reconnaissance et le transfert des précurseurs de protéines en tonneau β.

c. Caractéristiques des protéines en tonneau β

La topologie en tonneau β est caractérisée par le nombre n de brins antiparallèles et par le nombre S de cisaillements ("shear") qui mesure l'angle d'inclinaison (36° à 44°) des brins par rapport à l'axe du tonneau.

Exemples de motifs et de repliements en tonneau β :

• Classification générale SCOPe (id. 1000001) : "All beta proteins - Proteins containing predominantly beta-strands".
• Le motif "up and down" : 8 brins β anti-parallèles adoptent une topologie où chaque brin établit des liaisons hydrogène avec le brin qui le précéde et le brin qui le suit.
• Le motif "jelly roll" : 8 brins β anti-parallèles disposés en 2 feuillets à 4 brins. Des brins adjacents sont alternés entre les 2 feuillets de sorte qu'ils sont "enroulés" en trois dimensions pour former le tonneau.

Le domaine "small β-barrel" :

• 4 ou 5 (voire 6) brins β.
• Les brins de ce type de domaine sont courts (4 à 6 résidus d'acides aminés) et reliés par des boucles.
• En conséquence, le domaine est constitué de moins de 100 résidus d'acides aminés. Par comparaison, les protéines en tonneau β transmembranaires contiennent environ 150 à 700 résidus d'acides aminés.
• Exemple : GroES-like - classification SCOPe : b-35 (n= 4, S = 8).

Le repliement "double-psi β barrel" :

• 6 brins β parallèles et anti-parallèles.
• Certains brins sont reliés par une hélice de pas droit (hélice α ou hélice 3₁₀). L'angle de torsion entre les brins proche et médian est plus grand que celui entre les brins moyen et éloigné.
• Exemple : la peptidoglycane transglycosylase endolytique (RlpA), protéine de la membrane externe de certaines bactéries.
• Voir la classification SCOPe.

Le repliement OB-fold ("Oligonucleotide/Oligosaccharide-Binding fold)" :

• 5 ou 6 brins β constitués de 70 à 80 résidus d'acides aminés.
• Ce repliement est adopté par des protéines appartenant aux 3 règnes.
• Son architecture s'est adaptée pour fixer différents ligands (oligosaccharides, oligonucléotides, protéines, ions métalliques, substrats catalytiques) de diverses manières.

Visualisation de Tom40 de de Neurospora crassa à une résolution de 6,8 Å

Structure déterminée par cryomicroscopie électronique.

Code PDB : 5O8O

5. Structure de la membrane interne des mitochondries - Le complexe MICOS

La partie de la membrane interne des mitochondries qui est parallèle à la membrane externe est appelée membrane interne limite ou bordante ("inner boundary membrane").

L'autre partie de la membrane interne de la mitochondrie forme des crêtes de dimensions variables vers la matrices : elle est appelée membrane des crêtes ("cristae membrane"). Cette structure lui confèrent une très grande surface où ont lieu les réactions biochimiques. Les mitochondries dont les crêtes ont une structure incorrecte sont associées à de très graves pathologies.

La formation, la structure, le remodelage dynamique et les jonctions des crêtes résultent de l'action de divers acteurs : le complexe appelé système d'organisation des crêtes et des sites de contact mitochondriaux ("MItochondrial contact site and Cristae Organizing System" - MICOS), la GTPase OPA1 de type dynamine, l'ATP synthase F1-F0 (courbure positive de la membrane) et la cardiolipine.

Source : Pfanner et al. (2019)

Le complexe MICOS est composé de sept sous-unités (Mic10, Mic13, Mic19, Mic25, Mic26, Mic27 et Mic60) :

• Mic10 forme de grands oligomères à la base des jonctions de crêtes de la membrane interne et elle interagit avec Mic12, Mic26 et Mic27.
• Mic60 forme des sites de contact avec la membrane externe et elle interagit avec la protéine régulatrice Mic19.
• Mic60 possède un grand domaine dans l'espace intermembranaire qui interagit avec la translocase TOM et les les machineries SAM et MIA. Mic60 positionne Mia40 près du canal TOM.

MICOS interagit avec SAM via le domaine associé au transport de polypeptides ("the POlypeptide TRAnsport-associated (POTRA) domain") de Sam50.

6. Contacts entre le RE et la mitochondrie

a. Le complexe ERMES ("ER - Mitochondria Encounter Structure")

C'est un complexe protéique composé de 4 protéines qui relie le RE et ala mitochondrie :

• La protéine de maintien de la morphologie mitochondriale ("Maintenance of Mitochondrial Morphology 1" - Mmm1) est ancrée dans la membrane du RE.
• Les protéines de la distribution et de la morphologie mitochondriales ("Mitochondrial Distribution and Morphology") Mdm10 et Mdm34 sont intégrées dans la membrane externe des mitochondries.
• La protéine Mdm12 est une protéine périphérique de la membrane externe.

b. Le réseau d'organisation ERMIONE ("endoplasmic reticulum (ER) - MItochondria Organizing NEtwork") entre la mitochondrie et le RE

Les sites de contacts entre les membranes externe et interne de la mitochondrie et les sites de contacts entre la membrane externe de la mitochondrie et le RE sont des éléments cruciaux d'un vaste réseau qui contrôle la biogenèse des protéines et des lipides, l'architecture et la dynamique des membranes, le transport des ions et des métabolites, la dynamique mitochondriale et l'hérédité.

Source : Wiedemann & Pfanner (2017)

En effet, le complexe MICOS de la membrane interne de la mitochondrie, la translocase TOM de la membrane externe de la mitochondrie et la machinerie SAM de la membrane externe de la mitochondrie forme le coeur du grand réseau d'organisation ERMIONE.

Ce réseau établit une multitude d'interactions dynamiques avec :

• Le complexe multi sous-unités ERMES ("ER - Mitochondria Encounter Structure")
• D'autres sites de contacts entre la mitochondrie et le RE qui impliquent :
  • le récepteur Tom70
  • les récepteurs de l'inositol trisphosphate
  • la protéine de transfert lipidique Lam6
  • des sites de contacts entre la vacuole et la mitochondrie (y compris Tom40 et la protéine de pontage Vps39)
  • la kinase "PTEN-induced putative kinase 1" (PINK1)
  • le système d'import et d'assemblage de protéines de l'espace intermembranaire Mia40
  • des complexes de la chaîne respiratoire et l'ATP synthase F1-F0
  • la protéine OPA1 ("the fusion protein optic atrophy 1") de la membrane interne
  • les nucléoïdes de l'ADN mitochondrial avec le facteur de transcription A (TFAM)

En conclusion, ERMIONE forme un système transmembranaire qui coordonne la biogenèse des protéines et des lipides, les aspects énergétiques, l'hérédité et le contrôle qualité des mitochondries (biogénèse et morphologie).

7. Biogénèse des protéines des membranes des chloroplastes

Environ 95% des protéines chloroplastiques sont codées par le génome nucléaire et doivent être importées dans les chloroplastes :

• Les pré-protéines chloroplastiques possèdent un signal d'adressage sous la forme d'un peptide de transit N-terminal de séquence très hétérogène et une charge globalement positive.
• Cette absence de séquence d'adressage consensus dans les chloroplastes contraste avec le signal d'adressage conservé dans les mitochondries.

L'import dans les plastes des protéines précurseurs traduites dans le cytosol est réalisé par les translocons de l'enveloppe externe et de l'enveloppe interne du chloroplaste ("Translocon at the Outer/Inner envelope of the Chloroplast"), TOC et TIC respectivement, et des chaperons solubles.

• Ces translocons de pré-protéines sont des complexes protéiques semblables à ceux des mitochondries.
• TCDB 3.A.9 : "The Chloroplast Envelope Protein Translocase (CEPT or Tic-Toc) Family" - base de données "Transporter Classification Database".
• La translocation d'une pré-protéine via la machinerie TOC-TIC nécessite l'hydrolyse de 650 molécules d'ATP en moyenne.

a. Translocation au travers de la membrane externe des chloroplastes

Le complexe TOC (enveloppe externe) pour la translocation de précurseurs photosynthétiques est composé de Toc33, Toc64, Toc75 et Toc159.

Le complexe TOC pour l'import de précurseurs non photosynthétiques est composé de Toc34, Toc75, Toc120 et Toc132.

• L'élément central de TOC est Toc75, membre de la famille Omp85.
• La région N-terminale (≈ 30 kDa) de Toc75 contient 3 domaines POTRA.
• La région C-terminale (≈ 45 kDa) de Toc75 contient 16 brins β transmembranaires qui constituent le tonneau β intégré dans la membrane.
• Le génome d'Arabidopsis thaliana contient 3 séquences codant Toc75 (atTOC75-I, atTOC75-III et atTOC75-IV).

La protéine précurseur est d'abord transloquée par le complexe TOC. Si elle est destinée à être intégrée dans la membrane externe sous forme de tonneau β, elle est transférée à Oep80 ("Chloroplast Outer Envelope Protein 80 kDa", TCDB 1.B.33.2.2) qui la replie et l'intègre dans cette membrane.

Source : Jarvis & Lopez-Juez (2013)

b. Translocation au travers de la membrane interne des chloroplastes

La translocation au travers de la membrane interne est médiée par le complexe TIC composé de Tic20, Tic21, Tic22, Tic56, Tic100 et Tic214.

• Tic20 semble spécifique des précurseurs photosynthétiques.
• Tic22 est une protéine soluble de l'espace intermembranaire qui interagit avec les pré-protéines lors de l'import.
• Tic236 relie les 2 translocons TIC et TOC. Tic236 est nécessaire pour l'import des précurseurs de HSP93, de Tic40 et de la RuBisCO dans le stroma.
• Le complexe "moteur" constitué du co-chaperon Tic40 stimule l'hydrolyse de l'ATP par HSP93 et libère le peptide d'adressage de Tic110.
• Tic40 est également impliqué dans l'insertion des protéines issues du stroma dans la membrane interne des chloroplastes.

Source : Thomson et al. (2020)
OEM : membrane externe; IMS : espace intermembranaire; IEM : membrane interne

Le peptide d'adressage est traité en 2 étapes :

• La première hydrolyse est catalysée par la peptidase de traitement du stroma ("Stromal Processing Peptidase" - SPP) et génère l'intermédiaire qui se retrouve dans le stroma.
• La seconde hydrolyse est catalysée par une peptidase du signal de type I (éventuellement PLSP1, E.C. 3.4.21.89) et nécessite une association avec la membrane interne.

8. Biogénèse des protéines des membranes des peroxysomes

a. Généralités

Les peroxysomes sont des organites à 1 membrane présents dans presque toutes les cellules eucaryotes. Les fonctions des peroxysomes englobent notamment :

• La β-oxydation d'acides gras à plus de 18 carbones.
• La synthèse de la bile, du cholestérol, le métabolisme des acides aminés et des purines.
• Le piégeage des espèces réactives de l'oxygène ("Reactive Oxygen Species" - ROS) générées par diverses voies métaboliques. Le système antioxydant des peroxysomes des végétaux est très sophistiqué : catalases, glutathion peroxydases, un cycle ascorbate-glutathion (composé de plusieurs enzymes) impliqué dans la décomposition du peroxyde d'hydrogène.

Le contenu, le nombre et la taille des peroxysomes peuvent changer rapidement en réponse aux signaux environnementaux. Les peroxysomes superflus et/ou endommagés par l'oxydation sont dégradés par un processus appelé pexophagie.

La biogenèse des peroxysomes implique au moins 37 protéines appelées peroxines (codées par les gènes Pex) qui ont un rôle dans divers processus :

• L'adressage et l'insertion des protéines membranaires des peroxysomes ("Peroxisomal Membrane Proteins" - PMP) dans la membrane peroxysomale.
• L'adressage et l'import de protéines solubles dans la matrice des peroxysomes.
• Le contrôle de la taille, de l'abondance et de l'hérédité des peroxysomes.

Source : KEGG (La figure du site KEGG est interactive et permet d'accéder à un trés grand nombre d'informations)

b. Mécanismes d'import dans la membrane et dans la matrice

Les peroxysomes ne possèdent ni génome ni machinerie de synthèse protéique : ils doivent importer leurs protéines (après traduction dans le cytosol) dans leur membrane. Deux voies d'adressage et d'insertion co-existent.

α. La voie de tri direct

Pex19 se fixe aux PMP nouvellement traduites dans le cytosol et agit comme protéine chaperon en interagissant avec leurs domaines hydrophobes couvrant la membrane. Le complexe [Pex19-PMP] se lie à la peroxine membranaire intégrale Pex3 et est inséré dans la membrane par un mécanisme encore inconnu.

β. Le transit intermédiare via le RE

La détection de PMP à l'intérieur du RE est à l'origine d'un modèle suggèrant que le RE est à l'origine de la biogenèse des peroxysomes en médiant le trafic des PMP vers les peroxysomes via des vésicules bourgeonnantes.

• Pex3 joue un rôle dans le tri intra-RE des PMP et PEX19 dans le bourgeonnement des vésicules.
• Pex16 joue un rôle dans la voie indirecte.
• La contribution de cette voie dérivée du RE à la population totale des peroxysomes et les mécanismes d'entrée / sortie des PMP du RE sont cependant sujettes à controverse.

Source : Jansen et al. (2021)

Import des protéines dans la matrice peroxysomale

Les peroxysomes doivent également importer les protéines dans leur lumière appelée matrice peroxysomale. Ce mécanisme importe des protéines entièrement repliées (voire sous formes d'oligomères).

Schématiquement, l'import dans la matrice des peroxysomes est catalysée par une dizaine de PMP intégrales ou périphériques qui : (i) amarrent le complexe [récepteur d'import / protéine à transloquer] à la membrane peroxysomale; (ii) transloquent la protéine dans la matrice de l'organite par un pore de translocation; (iii) exportent le récepteur vers le cytosol et le recyclent.

Après synthèse dans les ribosomes, les protéines qui contiennent les signaux d'adressage aux peroxysomes ("Peroxisomal Targeting Signals") PTS1 (extrémité C-terminale) ou PTS2 (extrémité N-terminale) se fixent à leur récepteur respectif, Pex5 ("Peroxisomal Targeting Signal 1 Receptor") ou Pex7, et forment un complexe [récepteur- protéine à transloquer].

• Le domaine N-terminal intrinsèquement désordonné de Pex5 contient 7 motifs WXXXF/Y et 1 motif LVAEF qui se fixent au domaine N-terminal de Pex14 ancrée dans la membrane : un pore transitoire se forme et la protéine à transloquer passe au travers de la membrane. Pex1 est requis pour la stabilité de Pex5.

• Pex7 contient des domaines répétés WD40 qui se replient dans une structure hélicoïdale et interagissent avec le motif PTS2. Le pore pour l'import de protéines qui possèdent PTS2 est formé par Pex13, Pex14, Pex17 et Pex18.

Le recyclage du récepteur implique :

• L'ubiquitination du récepteur : les peroxines impliquées sont Pex2, Pex4 (E.C. 2.3.2.23, "E2 ubiquitin-conjugating enzyme"), Pex10 et Pex12.
• L'extraction du récepteur de la membrane par un complexe ATPase de type AAA ("ATPases Associated with diverse cellular Activities") : Pex1 et Pex6. Ce mécanisme est semblable au contrôle qualité des protéines et à la dégradation associée au RE ("Endoplasmic Reticulum Associated Degradation" - ERAD).
• Pex1 est ancrée par Pex26 aux membranes des peroxysomes pour former éventuellement des complexes avec les ATPases AAA.

9. Les protéines des membranes des bactéries

a. La membrane externe

Les bactéries Gram- ont une enveloppe cellulaire qui comprend une membrane interne, une couche de peptidoglycane et une membrane externe.

Source : Dreamstime

La membrane externe des bactéries à Gram- est constituée d'un feuillet interne de phospholipides et d'un feuillet externe de lipopolysaccharides réticulés par des cations divalents chélatés. Cette membrane asymétrique forme une structure robuste qui stabilise l'enveloppe cellulaire.

La membrane externe est un facteur de virulence des bactéries pathogènes. C'est également une composante majeure de la résistance aux antibiotiques des bactéries Gram- :

• Des petits antibiotiques (de masse molaire < 700 Da) traversent cependant la membrane externe via des porines telles que OmpF ("Outer membrane porin F") ou OmpC qui parsèment la surface de certaines bactéries.
• Pour contrer les effets des antibiotiques, les bactéries s'adaptent :
  • Par exemple, TolC est un canal d'efflux de la membrane externe qui expulse de manière active certains médicaments et contre ainsi les effets des antibiotiques.
  • TolC est également le canal de sécrétion de l'hémolysine, toxine qui lyse les globules rouges.

Les récepteurs TonB (PF00593) de la membrane externe des bactéries Gram- forment une famille de protéines en tonneau β :

• Les récepteurs TonB transmettent les signaux extérieurs dans le cytoplasme ce qui induit l'activation de la transcription de gènes cibles.
• Les récepteurs TonB sont associés à l'absorption et au transport de substrats tels que les sidérophores (chélateurs du fer) et la vitamine B12.

b. Biogénèse des protéines en tonneau β de la membrane externe

Les protéines de la membrane externe ("Outer Membrane Proteins" - OMPs) des bactéries forment des tonneaux β transmembranaires avec un nombre pair (8 à 36) de brins et 8 à 24 cisaillements.

Environ 2,5% des gènes des bactéries Gram- codent des porines en tonneau β. Les toxines bactériennes comme l'hémolysine adoptent également une topologie en tonneau β.

Exemples de protéines bactériennes en tonneau β :

• 8 brins β : OmpA (Escherichia coli, pore de diffusion non spécifique), OmpX, NspA (Neisseria meningitidis, adhésine) et PagP
• 10 brins β : OmpT (Escherichia coli, protéase)
• 12 brins β : NalP, TolC (pompe d'efflux de solutés) et OmPlA (Escherichia coli, phospholipase)
• 14 brins β : FadL (Escherichia coli, transporteur d'acides gras)
• 16 brins β : Omp32, OmpF (Escherichia coli), porine) et PhoE (porine de phospate inorganique et de solutés chargés négativement)
• 18 brins β : maltoporine (LamB, transport du maltose et de maltodextrines) et porine du saccharose (ScrY)
• 22 brins β : FepA (Escherichia coli, transporteur), BtuB et FhuA (Escherichia coli, transporteur ABC dur ferrichrome)
• 24 brins β : PapC (Escherichia coli)
• OmpA, FhuA, BtuB, FadL et OmpG sont des monomères; OmPlA et PapC sont des dimères; OmpF et PhoE, LamB, OmpK36 et ScrY sont des trimères.

Source : Kleinschmidt J.H. (2015)

Les protéines en tonneau β sont synthétisées dans le cytosol puis sécrétées dans le périplasme au travers de la membrane interne par la translocase SEC.

Enfin, l'assemblage et l'intégration des protéines en tonneau β dans la membrane externe des bactéries Gram- est catalysée par la machinerie d'assemblage des protéines en tonneau β ("Bacterial β-barrel Assembly Machinery" - BAM) :

• Famille 1.B.33 : "The Outer Membrane Protein Insertion Porin (Bam Complex) (OmpIP) Family" (base de données "Transporter Classification Database").
• Le complexe BAM est constitué de 5 sous-unités : BamA, BamB, BamC, BamD et BamE (lipoprotéines).
• PDB 5D0O : structure du complexe Bam(ABCDE) complet.
• La sous-unité centrale de BAM est BamA :
  • BamA est un membre de la famille Omp85 à 16 brins β. Elle contient 5 domaines POTRA ("N-terminal POlypeptide TRansport-Associated") qui s'étendent dans le périplasme.
  • Elle est essentielle pour la biogenèse des protéines de la membrane externe des bactéries.

Source : Diederichs et al. (2021)

c. Protéines de la membrane interne des bactéries : voies SEC et TAT

La membrane interne des bactéries Gram- est une bicouche phospholipidique d'environ 6 nm d'épaisseur. Elle forme une barrière semi-perméable, entre le cytoplasme et le périplasme, qui contrôle l'export et l'import d'ions, de polymères d'oses, d'ADN et de protéines.

La modélisation suggère que la fixation d'OmpA ("Outer membrane protein A" - membrane externe) et de TolR ("Tol-Pal system protein TolR" - membrane interne - environ 900 molécules par cellule d'Escherichia coli) au peptidoglycane maintient la position de la paroi cellulaire dans le périplasme approximativement à égale distance des membranes interne et externe.

Il semble que la protéine trimérique Lpp ("Major outer membrane Lipoprotein") contrôle la largeur du périplasme, ajuste son angle d'inclinaison pour s'adapter à l'espace disponible et peut compenser en partie l'absence d'OmpA.

La voie sécrétoire SEC

• Elle traite la majorité des protéines exportées et fonctionne à la fois comme translocase pour les protéines sécrétées et comme insertase pour les protéines membranaires.L'insertase YidC assiste la voie SEC ou opère indépendamment avec certaines protéines membranaires.
• La voie SEC et l'insertase YidC exigent que les protéines qu'elle transloquent adoptent une structure non repliée soluble.
• La machinerie SEC est composée du canal SecYEG et de l'ATPase SecA, qui génère la force motrice qui transloque la protéine au travers de la membrane (cette translocation peut être aussi alimentée par le gradient de protons transmembranaire).
• Du côté cytoplasmique de la membrane, la protéine transloquée se replie dans sa conformation native avec l'aide de facteur tel que SecB.

La voie de translocation d'arginines jumelles ("Twin-Arginine Translocation" - TAT)

• Cette voie ne transloque que les protéines entièrement repliées, certaines pouvant être chargées de groupes prothétiques.
• La machinerie TAT est composée de TatA, TatB et TatC. Le complexe TatB-TatC fixe les protéines substrats de TAT par l'intermédiaire de leurs peptides signaux. TatA est recrutée par le complexe TatBC activé et transporte le substrat.
• La voie TAT est également alimentée par la force proton motrice transmembranaire.

Source : Frain et al. (2019)

Figure ci-dessus :

• Voie SEC à gauche : exemple de la prise en charge de la chaîne polypeptidique non repliée du précurseur de OmpA.
• Voie TAT à droite : exemple de la prise en charge de la chaîne polypeptidique repliée du précurseur de TorA ("Trimethylamine-N-Oxide Reductase 1" - E.C. 1.7.2.3). L'insertion et le repliement du cofacteur peut être aidés par une protéine chaperon telle que TorD.

Les peptides signaux des voies TAT et SEC

Le peptide signal N-terminal des chaînes polypeptidiques naissantes les dirige vers la translocase correcte SEC ou TAT.

• Les peptides signaux des voies TAT et SEC ont une partie N-terminale chargée positivement, une partie hydrophobe et une région C-terminale et un site de hydrolyse Ala-X-Ala (X est n'importe quel acide aminé) par la peptidase du signal.
• Les peptides signaux TAT ont une longueur d'environ 30 résidus d'acides aminés et les peptides signaux de la voie SEC ont une longueur de 17 à 24 résidus d'acides aminés.

Source : Frain et al. (2019)

Par ailleurs, les peptides signaux TAT sont :

• Moins hydrophobes et contiennent souvent des résidus d'acides aminés basiques.
• Caractérisés par le motif à double arginine S-R-R-X-F-L-K (X est un acide aminé polaire) entre la partie N-terminale et la partie hydrophobe. Les résidus arginine sont essentiels pour le processus d'export des protéines mais une substitution RR en KR est tolérée.