1. Introduction

2. Exemples de protéines moonlighting

3. Illustrations de différents rôles de quelques protéines moonlighting

a. Enzymes du métabolisme
b. Le facteur EF-Tu
c. Le cytochrome c

d. Les lysines méthyltransférases et les lysines déméthylases

4. Protéines moonlighting et liaison à l'ARN

5. Activités dans le métabolisme et fonctions dans le noyau

6. Identification de protéines moonlighting

7. Liens Internet et références bibliographiques

1. Introduction

Les protéines constituent la classe de bio-macromolécules la plus polyvalente. L'un des aspects de cette polyvalence réside dans la capacité qu'ont certaines protéines d'avoir des fonctions différentes, sans lien. De multiples fonctions pour des protéines augmente la complexité du fonctionnement de la cellule et ne peut que lui être bénéfique.

De telles protéines ont été mises en évidence pour la première fois par Piatigorsky et collaborateurs : ils ont montré que les protéines δ-crystallin et argininosuccinate lyase (EC 4.3.2.1) de canard sont codées par le même gène, phénomène qu'ils ont appelé partage de gènes ("gene sharing") :

• Beaucoup d'autres protéines possédant plusieurs fonctions ont été depuis identifiées. Cependant, leur nombre reste très modeste : quelques centaines dans les bases de données.
• La diversité des fonctions et les avantages pour un organisme suggèrent que de nombreuses autres protéines de ce type existent.

Dénomination protéines "moonlighting"

Le terme "partage de gènes" est cependant ambigü puisqu'un gène peut coder pour différentes protéines (différents sites d'initiation de la traduction ou de la terminaison, épissage alternatif, ...).

La dénomination protéines moonlighting ("moonlighting proteins", traduit par "protéines au noir") a été proposée par C. Jeffery en 1999, par analogie avec "travail au noir" (un second emploi en plus d’un emploi principal).

Plus récemment, des termes plus génériques ont été employés pour décrire ces protéines : protéines multi-tâches ("multitask proteins") et protéines multi-fonctionnelles extrêmes ("extreme multifunctional proteins").

Les protéines moonlighting sont différentes des pseudoenzymes.

Importance de l'étude des protéines moonlighting

• Analyser diverses facettes des fonctions des protéines : les prédire, découvrir de nouveaux mécanismes, étudier leur évolution, concevoir de nouvelles fonctions.
• Décrypter le lien entre voies métaboliques qu'établissent certaines protéines moonlighting. Caractériser de nouvelles voies métaboliques.
• Comprendre l'implication de nombreuses protéines moonlighting dans des maladies. Par exemple : la dihydrolipoamide déshydrogénase des mitochondries ou la glutamate racémase de Mycobacterium tuberculosis.

2. Exemples de protéines moonlighting

Le groupe des protéines moonlighting incluent les protéines sécrétées en raison de de leurs nombreux rôles dans différents organismes.

En revanche, il n'inclue pas :

• Les protéines qui servent d'échafaudage structural et interagissent avec différentes protéines.
• Les familles de protéines homologues si les différentes fonctions sont remplies par différentes protéines de ces familles.
• Les protéines qui ont plusieurs rôles cellulaires mais utilisent la même fonction biochimique pour chaque rôle.
• Les protéines ayant une seule fonction dans différents compartiments subcellulaires.

3. Illustrations de différents rôles de quelques protéines moonlighting

a. Enzymes du métabolisme

Certaines enzymes du métabolisme telles que l'hexokinase, la phosphoglycérate kinase 1, la pyruvate kinase M2, l'isoforme A de la céto-hexokinase et les nucléosides diphosphates kinases 1 et 2 qui phosphorylent des métabolites solubles ont également une activité protéine kinase.

Source : Lu & Hunter (2018)

Cette activité régule une grande diversité de processus tels que l'effet Warburg, la transcription des gènes, le cycle cellulaire, l'apoptose, l'autophagie, la sécrétion de l'exosome, l'activation des cellules T, le transport du fer, l'ouverture de canaux ioniques et d'autres fonctions cellulaires fondamentales.

Voir également : Snaebjornsson & Schulze (2018).

b. Le facteur EF-Tu

Le facteur d'élongation thermique instable Tu (EF-Tu) est une protéine G qui catalyse la fixation de l'aminoacyl-ARNt au site A du ribosome.

Cependant, EF-Tu a d'autres fonctions à la surface des cellules eucaryotes et procaryotes. En effet, EF-Tu peut se déplacer vers la surface extracellulaire et y rester : il y interagit avec des récepteurs membranaires et avec la matrice extracellulaire.

Des motifs structuraux linéaires courts ("short linear motifs", SLiMs) dans des régions non conservées exposées à la surface joueraient un rôle clé dans les fonctions moonlighting de cette protéine très abondante et ancienne.

En particulier, un groupe de résidus d'acides aminés basiques situé à l'extrémité N-terminale est associé à des fonctions moonlighting de EF-Tu. Ce SLiM, situé dans une région désordonnée, contient au moins 3 résidus exposés à la surface et il est prédit pour établir des interactions protéine:protéine.

Source : Harvey et al. (2019)

Les résidus Arg7 et Lys9 ne sont pas conservés chez certaines espèces bactériennes et pourraient résulter de mutations ponctuelles avantageuses.

c. Le cytochrome c

Le cytochrome c est un transporteur d'électrons de la chaîne respiratoire dans les mitochondries.

Cependant, il joue aussi un rôle en dehors des mitochondries qui induit la transition des cellules apoptotiques de la vie vers la mort. En effet, lorsque des cellules sont endommagées, le cytochrome c est libéré dans le cytosol :

• Il se lie à d'autres protéines pour former un complexe appelé apoptosome qui, en particulier, déclenche l'activation de la caspase et conduit au démantèlement cellulaire contrôlé.
• Il se lie également aux récepteurs de l'inositol 1,4,5-triphosphate sur la membrane du réticulum endoplasmique, ce qui stimule une libération accrue du cytochrome c des mitochondries.

De nombreuses nouvelles cibles protéiques du cytochrome c ont été décrites. Notamment les chaperonnes des histones après des cassures de l'ADN : le cytochrome c pourrait ainsi participer à la modulation de la dynamique de la chromatine par la fixation compétitive à ces protéines chaperons.

Figure ci-dessous : interactions avec le cytochrome c de protéines du cytoplasme ou du noyau de cellules humaines (en bleu) ou d'Arabidopsis thaliana (en vert).

Source : Gonzalez-Arzola et al. (2019)

d. Les lysines méthyltransférases et les lysines déméthylases

Presque toutes les enzymes qui ajoutent ou éliminent les groupes méthyle des résidus lysine ont été découvertes initialement en tant qu'enzymes modifiant les histones : elles ont donc d'abord été nommées histones lysines méthyltransférases et histones lysines déméthylases, respectivement.

Au fur et à mesure que des preuves que ces enzymes agissent sur des protéines autres que les histones ont été apportées, elles ont été renommées lysines méthyltransférases et lysines déméthylases, afin de refléter leur rôle plus général dans la modification des lysines des protéines.

Exemples : SETD7, G9a et SMYD2.

La méthylation des lysines des histones et des protéines autres que les histones :

• Engendre des interactions avec des protéines appelées "reader" qui participent à la médiation des signaux en aval.
• Agit en synergie avec d'autres modifications post-traductionnelles pour moduler les fonctions des protéines.

4. Protéines moonlighting et liaison à l'ARN

Beaucoup d'enzymes moonlighting agissent comme protéines de liaison à l'ARN. Cependant, aucun concept global n'a encore été proposé pour ce phénomène.

L'hypothèse de l'interaction [ARN - enzyme moonlighting - métabolite] ("RNA-enzyme-metabolite hypothesis", REM) suggère l'existence de "liens de régulation" entre la [transcription des gènes / traduction des ARN messagers] et le métabolisme intermédiaire : ces liens seraient contrôlés par les enzymes moonlighting du métabolisme qui se fixent à l'ARN.

Source : Hentze & Preiss (2010)

Exemple de la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GAPDH), une enzyme de la glycolyse dans le cytosol :

• Lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, la GAPDH est S-nitrosylée et se lie à la E3-ubiquitine-ligase SIAH1, qui porte un signal de localisation nucléaire.
• Le complexe est alors transloqué dans le noyau où la GAPDH est acétylée par CBP ("acetyltransferase p300/CREB binding protein") ce qui déclenche la mort cellulaire.

Exemple de l'aconitase de l'homme (ACO1), une enzyme du cycle de l'acide tricarboxylique :

• Lorsque la teneur en fer dans la cellule est élevée, l'aconitase se lie à un groupe [Fe - S] et catalyse la conversion du citrate en isocitrate.
• Quand la concentration en fer est faible, l'interaction entre l'aconitase et le groupe [Fe - S] est rompue. L'enzyme change de conformation et se fixe aux éléments de réponse au fer ("Iron Responsive Elements", structures tige-boucle) :
  • En 5'UTR de l'ARN messager de la ferritine : il en résulte une répression de sa traduction.
  • En 3'UTR de l'ARN messager du récepteur de la transferrine : il en résulte une inhibition de sa dégradation.

5. Activités dans le métabolisme et fonctions dans le noyau

De nombreuses enzymes du métabolisme localisées dans le cytoplasme (notamment toutes les enzymes essentielles de la glycolyse) et des enzymes mitochondriales ont également des fonctions de type moonlighting dans le noyau.

Leurs fonctions dans le noyau correspondent :

• A leur fonction canonique : la biosynthèse du métabolite qu'elles produisent normalement.
• A une fonction non canonique telle qu'une activité kinase ou une liaison à l'ADN pour réguler la transcription des gènes et la réparation de l'ADN.

Ces fonctions répondent à des impératifs cellulaires : en effet, il est indispensable que certains métabolites soient synthétisés dans le noyau.

• Par exemple, l'acétyl-CoA est indispensable à l'acétylation des histones dans le noyau.
• Or le siège principal de la synthèse de l'acétyl-CoA est la mitochondrie dont les membranes ne sont pas perméable à ce métabolite.
• En conséquence, il doit être aussi synthétisé dans le noyau où il est également utilisé.

Les enzymes du métabolisme délocalisées dans le noyau participent donc à un processus [métabolisme - transcription des gènes] qui inclue en particulier les modifications épigénétiques. Ce processus semble optimiser les réponses adaptatives qui relient le stress métabolique à des fonctions cellulaires telles que la prolifération ou la différenciation.

De plus en plus de preuves indiquent que les changements de localisation subcellulaire des protéines sont médiés par de courts motifs linéaires.

La base de données switches.ELM (EMBL) est un recueil de commutateurs moléculaires ("motif-based molecular switches") validés expérimentalement et reposant sur un motif. Elle permet d'étendre les connaissances sur la manière dont les motifs interviennent dans la "prise de décision coopérative" selon le contexte et participent à la régulation cellulaire.

6. Identification de protéines moonlighting

La caractérisation d'une nouvelle protéine implique de trouver la fonction de cette protéine : cependant, on ne recherche pas systématiquement toutes ses fonctions. Le concours "Evaluation critique de l'annotation fonctionnelle ("Critical Assessment of Functional Annotation", CAFA) est un effort continu et global, mené par la communauté scientifique, qui vise à accroître l'annotation de la fonction des protéines par des moyens informatiques.

La plupart des fonctions des protéines moonlighting ont été découvertes par hasard. Il n'existe pas encore de méthode efficace pour les prédire.

La mise en évidence expérimentale de protéines moonlighting s'appuie sur des études de mutation conduisant à de nouveaux phénotypes.

• L'identification sans équivoque de telles protéines nécessite des résultats qui montrent que des mutations affectent les 2 fonctions de la même protéine et que d'autres n'en affectent qu'une.
• Cependant, une telle analyse ne fonctionne que si les 2 fonctions reposent sur des régions différentes de la protéine et sont indépendantes du contexte (c'est-à-dire non dues aux effets pléiotropes).

De plus en plus de programmes de prédiction des fonctions des protéines multifonctionnelles emploient des méthodes d'apprentissage profond ("deep learning"). Les données d'apprentissage sont, entre autres :

• Les annotations électroniques "Gene Ontology" (GO).
• Les informations issues de la Commission des Enzymes ("Enzyme Commission", E.C. XXXX). Par exemple les données de "Enzyme" (Expasy).
• Les jeux d'entraînement CAFA2, CAFA3 et bientôt CAFA4.

Exemples de programmes de prédiction : DEEPred, mlDEEPre.