Section 20 Biologie moléculaire et structurale, biochimie

III. Modifications post-traductionnelles et transduction du signal

À la variété importante des protéines synthétisées par une cellule ou un être vivant s'ajoute une combinatoire immense résultant de leur modification post-traductionnelle (MPT). Cela élargit considérablement la capacité de codage de l'information (épigénétique) et augmente d'autant la diversité des protéomes et des régulations métaboliques. Des champs disciplinaires très diversifiés se sont fédérés pour déchiffrer ces sous-ensembles protéomiques et les dix dernières années ont vu l'émergence de la caractérisation des phosphoprotéomes, des glycoprotéomes, et des ubiquitomes, pour n'en mentionner que quelques-unes.

Les MPT sont des maturations protéolytiques ou des modifications chimiques d'acides aminés par adduits covalents plus ou moins grands. Les MPT permettent une adaptation rapide de la cellule à des changements de son environnement et englobent des processus allant de la modification de l'activité et de la stabilité d'une protéine jusqu'à sa localisation et la régulation de sa dégradation. Elles ont des répercussions également sur la nature des interactions protéine-protéine, sur la transduction du signal, le phénotype et la multiplication cellulaire, l'apoptose ou l'autophagie. Il est donc indéniable que les MPT contrôlent la quasi-totalité des processus cellulaires.

Les MPT sont des événements dynamiques, parfois interdépendants et transitoires, ce qui rend leur étude complexe et restreinte à un type d'altération. Pourtant la caractérisation des réseaux de régulation par les MPT est essentielle à la compréhension du vivant ainsi que des nombreuses dérégulations pathologiques associées. Elle offre ainsi de multiples cibles d'intervention thérapeutique. Cela dit, cette étude nécessite le développement d'outils chimiques, biologiques et technologiques spécialisés.

A. Glycosylation

La glycosylation est une modification covalente majeure qui concerne environ 80 % des protéines et 30 % des lipides dont les propriétés biochimiques et biologiques dépendent très souvent de la structure glycannique qu'elles portent. Les glycannes, jouent un rôle très général dans l'expression, le repliement, le trafic, la localisation et la durée de vie des protéines auxquelles ils sont liés. Ils sont aussi impliqués dans de nombreux processus de reconnaissance et interviennent dans la formation de complexes multimoléculaires. Ces assemblages et leur dynamique contribuent à donner à la cellule et à l'organisme les bases de sa robustesse, de son adaptabilité et de sa complexité. Pourtant, à cause de leur complexité, les glycannes demeurent encore mal connus. La glycobiologie représente aujourd'hui un domaine d'étude en pleine expansion visant à connaître la structure et la fonction des glycannes.

L'assemblage des unités saccharidiques de base des glycannes n'est pas codé génétiquement mais résulte de l'activité d'une machinerie biosynthétique complexe comprenant des centaines d'enzymes (CAZymes qui dégradent, modifient ou créent des liaisons glucidiques). L'identification et la caractérisation des CAZymes des organismes vivants et le développement d'essais à haut débit pour l'identification de nouvelles activités enzymatiques et de spécificités de substrats constituent un véritable défi à relever. Par ailleurs, un enjeu important visera à déchiffrer les règles de biosynthèse de ces molécules. Il est donc nécessaire d'explorer la diversité structurale des glycoconjugués (10 000 à 20 000 épitopes glycanniques dans le glycome humain), leur dynamique et la variabilité de leur expression.

Cela soulève le problème de l'accès à la structure 3D des glycannes et de la reproductibilité de leur production. Il existe peu de méthodes analytiques et la méthode de choix reste la spectrométrie de masse bioanalytique pour établir un profilage du glycome, grâce à de nouvelles approches très sensibles (nanoLC-ESI-MS, tandem MS). Les notions de clustering de glycanne et d'impact de la fraction aglycone ajoutent un niveau de complexité supplémentaire. Un enjeu majeur est donc de développer de nouveaux outils analytiques des glycannes et glycoconjugués et d'améliorer les méthodes de séparation et de purification. Ainsi, la production de glycannes pour la fabrication de « glycan array » et la constitution de banques de structures glycanniques variées et exhaustives sont en pleine expansion.

Les glycannes naturels sont très hétérogènes, en faible proportion et peu accessibles. Leur synthèse par voie chimique soulève le problème de la stéréosélectivité et de la régiosélectivité des réactions. Développer de nouvelles méthodes de synthèse chimique et/ou chimio-enzymatique simples et rentables demeure un défi majeur et repose sur des approches disciplinaires variées à l'interface entre la biologie et la chimie. Cela passe par l'élargissement de la communauté des glycobiologistes à celle des chimistes pour la synthèse chimique automatisée de glycannes et l'élaboration d'analogues glycanniques et de glycovecteurs pour la thérapie ciblée. Des stratégies d'usines cellulaires pour la production de molécules recombinantes humanisées et d'ingénierie combinatoire par évolution dirigée d'enzymes spécifiques pour la synthèse de nouveaux biopolymères à partir d'agro-ressources abondantes et peu coûteuses sont également en cours de développement. Pour comprendre l'origine de la complexité structurale des glycannes et leur fonction, de nouvelles approches de glycomique comparative et d'imagerie des glycannes voient le jour avec l'utilisation de groupements chimiques greffés sur les molécules de sucre pour quantifier des changements dynamiques de glycosylation. Un nouveau défi sera le développement d'outils bio-informatique pour la prédiction de la structure des glycannes et leur modelage basé sur les résultats d'analyse de glycomes. D'ores et déjà la communauté de bioinformaticiens doit être engagée dans la constitution de bases de données et la conception d'outils d'analyse des glycannes.

La phosphorylation intracellulaire a été largement reconnue dans l'efficacité de la transduction du signal. Mais la surface cellulaire elle-même, de par sa composition, joue également un rôle essentiel dans la signalisation. Elle est caractérisée par une couche dense pouvant atteindre plusieurs μm d'épaisseur, le « glycocalyx », constituée de glycolipides et glycoprotéines (principalement glycosaminoglycannes). Elle est un « passage obligé » pour de nombreuses protéines et occupe une position unique pour participer à l'ensemble des processus qui interviennent au niveau des membranes cellulaires. De fait, la plupart des protéines de signalisation interagissent avec les glycosaminoglycannes en amont de la reconnaissance des récepteurs eux-mêmes. Ces interactions contrôlent ainsi l'activation et le déclenchement des cascades de signalisation spécifiques. Là encore, la caractérisation des interfaces protéine-glycanne, l'étude des mécanismes d'interaction, l'ingénierie d'oligosaccharides interférant avec ces mécanismes, offrent de multiples opportunités d'intervention sur de nombreux systèmes, tant physiologiques que pathologiques.

B. MPT, transduction du signal et cycle cellulaire

La phosphorylation, au niveau intracellulaire, est largement reconnue dans la propagation de la transduction du signal chez les eucaryotes. Chez les bactéries, ces modifications ont été longtemps ignorées ou considérées comme marginales. Cependant, un renouveau récent de l'étude de la phosphorylation, en particulier des résidus sérine, thréonine et tyrosine, révèle maintenant leur implication dans le contrôle du cycle cellulaire, de la forme et de la pathogénie des bactéries. Des phosphoprotéomes sont maintenant connus chez certaines bactéries mais cela concerne généralement une seule condition de croissance et ne représente sans doute que le sommet de l'iceberg (les phosphorylations les plus abondantes). De par leur nature transitoire, il faudra étendre ces études, pour avoir une vision cinétique de ces phosphorylations dans le futur, et intensifier l'identification de ces modifications. Ces études sont certainement le commencement d'une ère nouvelle pour la bactériologie de demain.

C. Nouvelles MPT

Bien que certaines des MPTs soient connues depuis plusieurs décennies (glycosylations, phosphorylation), on entrevoit seulement maintenant leur amplitude et leur diversité. Ainsi, des analyses récentes montrent qu'au moins 5 à 10 % des protéines mitochondriales sont phosphorylées sur des tyrosines, sachant que la phosphorylation des résidus sérine/thréonine est plus fréquente. L'amélioration de nos connaissances des MPT a bénéficié des avancées technologiques récentes des spectromètres de masse qui abaissent considérablement les seuils de détection. Outre l'élargissement du spectre des protéines modifiées par une MPT donnée, ces progrès ont permis d'identifier de nombreuses nouvelles MPT. Ainsi, on dénombre actuellement plus de 12 types de modifications différentes et il est fort probable que bien d'autres MPT seront identifiées dans les années à venir. Il faudra appréhender leur distribution et leur occurrence et comprendre leur rôle pour chacune des protéines modifiées. Un travail considérable reste à entreprendre pour intégrer ces nouvelles connaissances à l'échelle de la cellule, de l'organe, de l'organisme et de la relation entre hôte et pathogène.

D. Modifications post-traductionnelles multiples et associées : des réseaux de réseaux

À cette vision quasi unidimensionnelle, s'ajoute celle – plus réaliste – des modifications post-traductionnelles multiples, associées et interdépendantes qui définissent des réseaux de réseaux de régulation dont la complexité échappe encore à l'exploration et à la compréhension. Il est pourtant nécessaire d'évaluer cette complexité qui conduira à une image certes plus complexe mais plus fiable de la transduction du signal. En effet, les évidences de modifications multiples d'une même protéine s'accumulent et pourraient étendre les possibilités d'adaptation spatiale et temporelle de l'activité des facteurs de transcription. L'exploration à grande échelle de MPT multiples devrait se poursuivre et s'intensifier grâce au développement d'outils analytiques de plus en plus sensibles et sophistiqués. Un des grands défis à relever est l'intégration de ces réseaux de modifications à l'ensemble des réseaux de signalisation cellulaire par une approche de biologie systémique moléculaire.

En conclusion, les dix dernières années ont vu des progrès spectaculaires dans l'identification des MPT, de leurs occurrences biologiques et de leur caractérisation moléculaire et atomique. Pour intégrer ces développements avec des avancées cellulaires et biomédicales, il est nécessaire de renforcer les études atomiques et moléculaires.