ADP-ribosylation
Pendant longtemps, on a cru que la fonction de la coenzyme NAD était liée à son rôle dans les réactions redox. Cependant, au cours des 20 dernières années, des preuves expérimentales ont suggéré que le NAD participe à des événements d’ADP-ribosylation.
Dans le NAD, le clivage de la liaison glycosidique entre le C1′ du ribose et le N11 du nicotinamide libère du nicotinamide et de l’ADP-ribosyle (Fig. 24.1). Cela peut être attaché à une variété de molécules acceptrices. De nombreuses réactions dépendantes du NAD pour le transfert de l’ADP-ribose (ADP-ribosylation) sont connues; toutes sont d’une grande importance fonctionnelle.
Figure 24.1. ADP – ribose.
Mono-ADP-ribosylation. Dans cette modification post-traductionnelle, le ribosyle ADP issu du NAD est transféré sur un résidu aminoacyle (arginine, cystéine, asparagine ou histidine) d’une protéine acceptrice. Il convient de noter que la liaison de l’ADP-ribosyl nicotinamide dans le NAD est une liaison à haute énergie; sa rupture fournit l’énergie qui rend la réaction possible. La mono-adénosinediphosphate-ribosyl transférase (ART), initialement décrite dans les toxines bactériennes puis dans les cellules eucaryotes, catalyse la réaction.
La toxine cholérique favorise le transfert du mono-ADP-ribosyle vers la sous-unité α de la protéine Gs et l’active. Cela conduit à une stimulation de l’adénylate cyclase, à une augmentation des niveaux d’AMP cycliques et à une fonction plus élevée des canaux de transport ionique dans la membrane luminale des entérocytes. Cela provoque une diarrhée sévère, un symptôme caractéristique de l’infection par la toxine cholérique. La toxine coquelucheuse (produite par les bactéries responsables de la coqueluche) détermine l’ADP-ribosylation des résidus cystéinyliques et dissocie la protéine G de son récepteur. La toxine diphtérique et l’exotoxine de Pseudomonas arrêtent la synthèse des protéines par ADP-ribosylation du facteur d’élongation 2 (EF2). La toxine de Clostridium ADP-ribosylate les molécules d’actine et empêche sa polymérisation. Ces actions montrent que la mono-ADP-ribosylation influence nettement la fonction de la protéine modifiée.
Chez l’homme, plusieurs enzymes d’ADP-ribosylation ont été reconnues. Certains sont ancrés par le glycosyl-phosphatidylinositol à la surface externe de la membrane plasmique (ectoenzymes) et d’autres sont à l’intérieur de la cellule (endoenzymes).
La découverte d’ectoenzymes qui agissent sur le NAD situé à l’intérieur des cellules était frappante. On pense que ces enzymes utilisent le NAD libéré dans l’espace interstitiel par des cellules lysées; alternativement, l’existence de canaux permettant la sortie du NAD à travers la membrane plasmique a été proposée. Les ectoenzymes sont fonctionnellement associées à la modulation de la différenciation des myocytes et à d’autres processus associés aux réponses immunitaires et inflammatoires, tels que la chimiotaxie, le recrutement de neutrophiles, l’inhibition de la cytotoxicité des lymphocytes T et l’adhésion cellulaire.
Les ARTS intracellulaires sont impliqués dans la régulation des systèmes de transduction de signaux dans lesquels les protéines G sont impliquées et servent de substrats d’Art. La mono-ADP-ribosylation peut affecter la signalisation et favoriser divers effets cellulaires. L’inhibition de la traduction des protéines, la régulation de l’appareil de Golgi et la fonction du cytosquelette sont le résultat de ces modifications post-traductionnelles.
Poly-ADP-ribosylation. Il s’agit d’un autre type de modification post-traductionnelle catalysée par des poly-adénosinediphosphates-ribosyl polymérases (PARP). Dix-huit gènes PARP ont été identifiés, mais toutes les enzymes codées par ces gènes n’ont pas été caractérisées. PARP lie initialement l’ADP-ribosyle aux résidus glutamyle ou aspartyle dans la protéine acceptrice. Ensuite, il continue d’insérer des molécules d’ADP-ribosyle, en les fixant linéairement par des liaisons glycosidiques 1′
2′. Toutes les 40 à 50 unités, des points de dérivation sont créés dans la chaîne principale, insérant des liaisons 1′ 3′. Le PARP peut également subir une auto-poly-ADP-ribosylation; l’un des principaux substrats du PARP est le PARP lui-même.
Les polymères d’ADP-ribose sont hautement électronégatifs et affectent les propriétés de la protéine modifiée. L’augmentation de la charge négative de la protéine augmente la répulsion de la protéine ADP-ribosylée avec d’autres polyanions, tels que l’ADN; ou attire des molécules chargées positivement, telles que les histones.
Parmi les ADP-ribosyl polymérases connues, certaines sont situées dans le noyau. PARP-1 et PARP-2 sont activés par la présence de sites clivés dans les brins d’ADN, auxquels PARP se lie. Ces sites clivés se produisent généralement lors de la réplication et de la réparation de l’ADN, ou peuvent être causés par des agents externes. PARP-3, est souvent associé au centrosome et PARP-4 est associé aux particules de ribonucléoprotéines. PARP-7 et PARP-10 sont impliqués dans la ribosylation des histones. TNKS et TNKS-2 sont également des poly-ADP-ribosyl polymérases et elles sont associées aux télomères.
La modification par poly-ADP-ribosylation de protéines basiques, telles que les histones, modifie les interactions ADN-histones ainsi que les attractions intra- et internucléosomiques, favorisant une structure de chromatine plus lâche. Cela facilite l’accès à l’ADN des enzymes impliquées dans les processus de réplication et de réparation, y compris l’hélicase, la topoisomérase, la polymérase et la ligase. Le PARP-ADP-auto-polyribosylate a tendance à repousser les brins d’ADN voisins à mesure que sa charge électronégative augmente et se sépare finalement.
Le PARP associé aux télomères favorise l’activité de la télomérase dans l’élongation des chromosomes. De plus, leur présence sert à repousser d’autres brins d’ADN et à prévenir les anomalies, telles que les translocations et les fusions de recombinaison de bout en bout ou délétères.
La poly-ADP-ribosylation de certaines enzymes peut modifier leur activité; par exemple, elle peut stimuler l’ADN ligase et inhiber l’endonucléase, empêchant ainsi la dégradation de l’ADN.
Le PARP est impliqué dans la régulation de la structure de la chromatine, la transcription, la réplication, la réparation, le maintien de l’intégrité de l’ADN et la stimulation de l’ADN ligase. L’absence ou la diminution de l’activité du PARP entraîne une instabilité du génome.
Le PARP associé aux centrosomes contribue à une séparation ordonnée des chromosomes pendant la mitose.
Le PARP est également impliqué dans la différenciation cellulaire et la dégradation des protéines lors de la mort cellulaire programmée (apoptose, chapitre 32). Les mécanismes d’action ne sont pas encore clairement compris. Le PARP médie l’apoptose par des signaux pro-inflammatoires. Il contrôle la libération du facteur induisant l’apoptose (FIA) par les mitochondries. Des études récentes ont également montré une relation entre la poly-ADP-ribosylation et la polyubiquitination dans le marquage des protéines pour la dégradation.
En cas de stress cellulaire, la suractivation du PARP peut entraîner une déplétion du NAD et de l’ATP, avec des conséquences dévastatrices pour la cellule qui se terminent par une nécrose cellulaire.
Des études sur des animaux de laboratoire ont montré que les conditions ischémiques, dans le cerveau et le cœur, sous choc septique ou processus inflammatoires sévères s’améliorent lorsque le PARP est inhibé. Il est probable que ces observations auront une application clinique; cependant, le défi de la réduction de l’activité de l’ADP-ribose polymérase entraînant une déstabilisation du génome, une accumulation de mutations et éventuellement une transformation maligne (carcinogenèse) doit d’abord être résolu.
Les polymères ADP-ribose sont dégradés par la glycohydrolase poly-ADP-ribose, qui libère de l’ADP-ribose libre. Une ADP-ribose lyase libère la première unité attachée à la protéine. La pyrophosphatase sépare l’AMP et le phosphate de ribose.
désacétylation dépendante du NAD. Il existe une famille de protéines de désacétylases dépendantes du NAD appelées sirtuines, qui libèrent le groupe nicotinamide du NAD et utilisent l’acétate séparé des protéines comme accepteur d’ADP-ribosyle pour former le 2′-O-acétyl-ADP-ribose. Cette activité a d’abord été observée chez la levure et a été désignée par l’acronyme SIR (silent information regulator); plus tard, elle a également été démontrée chez le nématode Caenorhabditis elegans et chez Drosophila melanogaster. Leur action augmente la durée de vie de ces organismes, en particulier dans des conditions où les nutriments dans le milieu sont limités.
Les sirtuines (SIRT) comprennent une famille de sept membres protéiques (SIRT-1 à SIRT-7), qui peuvent être considérés comme une variante des ADP-ribosylases. Ils utilisent divers substrats, tels que les histones, la protéine p53, les facteurs de transcription, le facteur nucléaire kB et d’autres. Par exemple, la désacétylation des histones induit une structure plus compacte de la chromatine, ce qui favorise le silençage des gènes et protège les zones critiques des chromosomes, telles que les télomères et les centrosomes. La désacétylation de la protéine p53 est importante pour la stabilité génomique; elle contrôle le cycle cellulaire, la réparation de l’ADN et l’apoptose. La désacétylation de p53 augmente apparemment sa stabilité en bloquant l’ubiquitination.
Le SIRT 1 est impliqué dans le métabolisme énergétique, la réponse au stress oxydatif, la sénescence cellulaire et la protection de l’endothélie vasculaire et des nerfs dans différentes conditions pathologiques.
La nicotinamide libérée par des désacétylations dépendantes du NAD agit comme un puissant inhibiteur de l’activité de la sirtuine, contribuant à sa régulation.
Étant donné que l’action des sirtuines contribue à la prolongation de la vie chez certains organismes, on a pensé qu’il s’agissait d’un facteur général de prolongation. Cependant, il n’y a pas encore assez de preuves pour extrapoler ces résultats aux animaux supérieurs.
On pense que le maintien de niveaux normaux de poly-PARP polymérases et de sirtuines dans les cellules peut prévenir ou retarder la carcinogenèse et les troubles liés au vieillissement.
Le produit 2′-O-acétyl-ADP-ribose, résultant de l’activité de la sirtuine, fonctionne comme un second messager.
Les réactions qui ne sont pas liées à la modification post-traductionnelle des protéines, mais qui peuvent être considérées comme des variantes de l’ADP-ribosylation, génèrent des composés à action physiologique importante: ADP-ribose cyclique et acide nicotinique – ADP-ribose-phosphate (NAADP) (voir p. 669).