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BIOSYNTHESE PROTEIQUE : MECANISMES ET IMPLICATIONS
La biosynthèse des protéines est un processus dynamique qui a lieu dans les cellules. Elle se décompose en 4 étapes distinctes. La première est la transcription des gènes de l’ADN, codant pour une protéine donnée, en ARN pré-messager. Cet ARN pré-messager va subir des étapes de maturation, jusqu’à obtenir un ARN messager (ARNm), qui va être exporté depuis le noyau cellulaire vers le cytoplasme, où a lieu la traduction des ARNm en protéines. Ce processus est effectué par l’intermédiaire des ribosomes, qui sont situés dans le cytoplasme ou sur la membrane du réticulum endoplasmique (RE). En fonction du type de protéines synthétisés, une 4ème étape peut être nécessaire : les modifications post traductionnelles qui permettent à la protéine de prendre sa conformation spatiale définitive. Elles ont lieu dans le réticulum endoplasmique ou l’appareil de Golgi. Cette section a été écrite à l’aide de Horton et al., 1994 ; Cau et al., 2012 et des travaux de Jaspard (http://biochimej.univ-angers.fr/).
Transcription de l’ADN en ARNm
La transcription des gènes de l’ADN en ARN pré-messager a lieu dans le noyau. Pour chaque gène, un seul brin de l’ADN est transcrit. C’est l’ARN polymérase qui va catalyser la réaction de synthèse de l’ARN pré-messager, depuis l’extrémité 5’ de l’ADN vers l’extrémité 3’. Chez les eucaryotes, c’est l’ARN polymérase de type II (Pol II) qui est chargé de synthétiser l’ARN messager .
L’initiation de la transcription à lieu après la formation d’un complexe impliquant [ARN polymérase + facteurs de transcription + séquence ADN du promoteur], appelé ‘complexe de pré-initiation de la transcription’. Un médiateur (Mediator) va se fixer au complexe de préinitiation de la transcription, il possède un rôle de co-activateur et régule ainsi l’activité de la Pol II, notamment en communiquant les signaux de régulation des divers facteurs de transcription liés à l’ADN à Pol II (caractères inhibiteur ou inducteur des facteurs de transcription). La terminaison de la synthèse de l’ARN à lieu au niveau des séquences consensus, Pol II va alors couper le brin d’ARN pré-messager, permettant sa libération dans le noyau cellulaire.
Maturation de l’ARN pré-messager en ARN messager
La maturation de l’ARN pré-messager a également lieu dans le noyau. Le brin d’ARN prémessager va subir des modifications, afin, à la fois de le protéger une fois dans le cytosol et de l’adresser, ensuite, vers le bon compartiment cellulaire. Les étapes de maturation de l’ARN pré-messager comportent l’addition d’une coiffe et d’une queue polyadénylée à l’ARN et son épissage.
Addition de la coiffe au niveau de l’extrémité 5’ de l’ARN pré-messager
Une coiffe va être ajoutée sur l’une des extrémités de l’ARN pré-messager. Celle-ci possède plusieurs fonctions : elle va permettre de protéger l’ARN messager de la dégradation par des enzymes (exonucléases notamment), et faciliter son adressage vers le cytosol par l’intermédiaire des pores nucléaires. Dans un deuxième temps, la coiffe est reconnue par le facteur de transcription EIF4E (Eukaryotic translation initiation factor 4E), ce qui permet ensuite de recruter les ribosomes et donc d’initier la traduction des ARN messagers.
La réaction d’addition de la coiffe est catalysée par 3 enzymes : polynucléotide 5′- phosphatase, ARNm guanylyl-transférase et ARNm [guanine-N (7) -] -méthyl transférase, qui catalysent la fixation de la 7-méthylguanosine sur le premier nucléotide de l’ARN, sur l’extrémité 5’.
Fixation d’une queue polyadénylée à l’extrémité 3’
La fixation de cette queue de nucléotides d’adénine (50 à 200 nucléotides en général) est réalisée par l’enzyme poly(A)-polymérase. Elle va permettre de stimuler la terminaison de la transcription, de protéger les ARNm de la dégradation et également de permettre l’adressage des ARNm vers le cytoplasme.
Epissage de l’ARN pré-messager
Cette étape essentielle permet d’aboutir à l’ARN messager mature. Elle consiste à exciser les introns, c’est-à-dire les sections de gènes ne codants pas pour un polypeptide et d’épisser les exons, qui sont les brins codants de l’ARN pré-messager. Ces réactions sont catalysées par un complexe appelé spliceosome qui permettra d’obtenir l’ARN messager mature. L’ARN pré-messager, après avoir subi ces 3 étapes devient mature : c’est l’ARN messager. Il est ensuite exporté vers le cytoplasme via les pores nucléaires, où il va être adressé vers les ribosomes pour entamer l’étape de traduction de l’ARNm en protéines.
Traduction de l’ARNm en protéine
La traduction permet la synthèse de protéines à partir de l’information contenue dans l’ARNm. Elle a lieu dans le cytoplasme au niveau des ribosomes, fixés ou non à la membrane du Réticulum Endoplasmique. Une machinerie complexe permet de synthétiser la protéine à partir de l’ARNm, nécessitant la présence d’ARN de transfert (ARNt) chargés avec les acides aminés correspondants et d’énergie sous forme de GTP (Guanosine triphosphate). La synthèse peptidique s’effectue depuis l’extrémité N-terminale de la protéine vers son extrémité Cterminale. Le siège de la traduction des ARNm sont les ribosomes qui constituent des complexes ribonucléoprotéiques universels. Chez les eucaryotes, ils sont constitués de 2 sous-unités :
– Petite sous-unité 40S : elle est capable de fixer l’ARNm et est responsable de la lecture des triplets codants.
– Grande sous unité 60S : elle peut fixer les ARNt, et ainsi catalyser les liaisons peptidiques afin de former la protéine.
Plusieurs étapes sont nécessaires pour la fixation d’un peptide : initiation, élongation et terminaison de la traduction : c’est un processus cyclique.
Initiation
Les 2 sous-unités du ribosome sont initialement dissociées. La sous-unité 40S du ribosome est chargée de la lecture de l’ARNm, l’initiation va démarrer une fois que celle-ci a reconnu le codon d’initiation (codon AUG). Un ARN de transfert spécifique, appelé ARNt Met ou ARNt de démarrage, va reconnaitre ce codon d’initiation grâce à son anticodon complémentaire, et porter le premier acide aminé de la protéine (Méthionine initiale, commune à toutes les protéines). L’interaction entre le codon d’initiation de l’ARNm et l’anticodon de démarrage de l’ARNt est l’élément déclencheur du démarrage de la traduction. Le facteur d’initiation de la traduction eIF2 va hydrolyser une molécule de GTP, permettant le recrutement de la sous unité 60S du ribosome, et le début de l’élongation après fixation de la Méthionine.
Elongation
Au cours de l’élongation, 3 étapes permettent la fixation d’un nouvel acide aminé le long de la chaîne polypeptidique en formation. D’abord le décodage : la petite sous unité du ribosome va progresser le long de l’ARNm en lisant les codons. Les facteurs d’élongation sont responsables de la fixation des ARNt correspondant (anticodon) et de l’hydrolyse du GTP. Ensuite la formation de la liaison peptidique, elle est catalysée par la grande sous-unité du ribosome et permet d’attacher l’acide aminé à la chaine polypeptidique de façon covalente.
Enfin la translocation, le ribosome déplace alors un codant vers l’avant sur l’ARNm, permettant de passer à la lecture du codon suivant, ce processus est également facilité par des facteurs d’élongations.
Terminaison
A la fin de la synthèse de la protéine, la petite sous-unité va lire un ‘codon-stop’. Ce message aboutit à la libération de la protéine et du brin d’ARNm, puis au détachement des sous-unités ribosomales, qui vont alors être à nouveau disponible pour entamer la synthèse d’une nouvelle molécule. Le même brin d’ARNm pourra resservir avant d’être détruit, pouvant participer à la synthèse consécutive d’environ 10 à 20 protéines. Une fois la protéine libérée, elle va être transportée pour être amenée à son lieu d’utilisation, qui peut être intracellulaire, membranaire ou encore extracellulaire. Ce message est porté par le peptide signal qui permet d’adresser la molécule vers le bon compartiment.
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Table des matières
INTRODUCTION
METHODOLOGIE
PARTIE I PERTURBATIONS DE LA SYNTHESE PROTEIQUE DANS LES MALADIES NEURODEGENERATIVES : MECANISMES ET PHYSIOPATHOLOGIE
CHAPITRE 1 PHYSIOLOGIE : BIOSYNTHESE PROTEIQUE ET UNFOLDED PROTEIN RESPONSE
1.1 Biosynthèse protéique : mécanismes et implications
1.1.1 Transcription de l’ADN en ARNm
1.1.2 Maturation de l’ARN pré-messager en ARN messager
1.1.2.1 Addition de la coiffe au niveau de l’extrémité 5’ de l’ARN pré-messager
1.1.2.2 Fixation d’une queue polyadénylée à l’extrémité 3’
1.1.2.3 Epissage de l’ARN pré-messager
1.1.3 Traduction de l’ARNm en protéine
1.1.3.1 Initiation
1.1.3.2 Elongation
1.1.3.3 Terminaison
1.1.4 Modifications post-traductionnelles et rôle du Réticulum Endoplasmique
1.2 Systèmes de lutte contre les protéines mal repliées : l’Unfolded protein response
1.2.1 Activation de l’UPR
1.2.1.1 La voie de PERK
1.2.1.2 La voie de IRE1α
1.2.1.3 La voie de ATF6
1.2.2 Integrated Stress Response (ISR)
1.2.3 Apoptose induite par le système UPR ou ‘terminal UPR’
1.2.4 Systèmes de dégradation des protéines : Protéasome, autophagie, ERAD
1.2.5 Synthèse sur le système UPR
CHAPITRE 2 MALADIES NEURODEGENERATIVES AVEC UN DEREGLEMENT DE LA SYNTHESE PROTEIQUE
PARTIE II R&D : PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES MOLECULES INTERAGISSANT AVEC LE SYSTEME UPR
CHAPITRE 1 R&D : PLAN DE DEVELOPPEMENT D’UN MEDICAMENT
1.1 Sélection de la cible
1.2 Identification des hits
1.3 Hit to lead
1.4 Développement pré-clinique : Pharmacologie, toxicologie
1.5 Développement clinique : Phase I, II, III
1.5.1 Phase I
1.5.2 Phase II
1.5.3 Phase III
1.5.4 Commercialisation
CHAPITRE 2 PREUVE DE CONCEPT DU CIBLAGE DU SYSTEME UPR DANS LES MALADIES NEURODEGENERATIVES : LA THERAPIE GENIQUE SUR MODELE ANIMAL
2.1 Maladie d’Alzheimer
2.2 Maladie de Charcot-Marie-Tooth
2.3 Chorée de Huntington
2.4 Maladie de Parkinson
2.5 Sclérose laterale amyotrophique
CHAPITRE 3 MOLECULES CIBLANT LE SYSTEME UPR OU SES EFFECTEURS SECONDAIRES
3.1 Voie de PERK
3.1.1 Inhibiteurs de l’activité kinase de PERK
3.1.2 Inducteurs de l’activité kinase de PERK
3.1.3 Inhibiteur de la déphosphorylation de eIF2α
3.1.1 Inhibiteurs de GADD34/PPP1R15A
3.1.2 Inhibiteurs de ATF4
3.2 Voie de IRE1 alpha
3.3 Voie de ATF6
3.4 Molécules ciblant des effecteurs indirects des 3 branches de l’UPR
PARTIE III L’UPR : UN SYSTEME DYNAMIQUE COMPLEXE AUX NOMBREUSES IMPLICATIONS
CHAPITRE 1 ROLES PHYSIOLOGIQUES DE L’UPR
CHAPITRE 2 IMPLICATION DU SYSTEME UPR DANS D’AUTRES PATHOLOGIES
CHAPITRE 3 LES CROSS-TALK DANS LE SYSTEME UPR
PARTIE IV PLACE DES MOLECULES AGISSANT SUR LE SYSTEME UPR DANS LES MALADIES NEURODEGENERATIVES, ENJEUX ET LIMITES
CHAPITRE 1 QUANTITE DE MOLECULES EN DEVELOPPEMENT EN FONCTION DES VOIES UPR CIBLEES
CHAPITRE 2 MODULATEURS DE LA REPONSE UPR EN PHASE DE DEVELOPPEMENT CLINIQUE
CHAPITRE 3 SYNTHESE DES MECANISMES D’ACTION DES MODULATEURS DE L’UPR ET DE LEURS EFFETS SUR LA REPONSE UPR
CHAPITRE 4 MOLECULES D’INTERETS DANS LES MALADIES NEURODEGENERATIVES
CHAPITRE 5 DISCUSSION
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
