Le cytosol et les protéasomes

Introduction

Le cytosol, ou hyaloplasme, est la phase aqueuse dans laquelle baignent le noyau et les organites. Longtemps considéré comme un simple milieu de suspension inerte, il est en réalité le carrefour métabolique de la cellule : c'est là que commence toute synthèse protéique, que sont stockés les précurseurs énergétiques, que se déroule la glycolyse, et que s'exerce la seconde grande voie de dégradation des protéines — celle du protéasome. L'intérêt du chapitre tient à cette dualité de la protéolyse. Nous avons vu que le lysosome digère à pH acide (≈ 5,0) ce que la cellule importe ou met au rebut en bloc. Le cytosol, lui, dégrade à pH NEUTRE, protéine par protéine, celles qui sont dénaturées ou mal repliées — un contrôle de qualité permanent dont la défaillance est au cœur des maladies neurodégénératives par agrégats protéiques, et dont l'inhibition pharmacologique est devenue un traitement du myélome multiple. Nous décrirons d'abord le compartiment cytosolique — sa définition, son contenu, ses états — puis ses quatre grandes fonctions, et enfin le protéasome : sa structure, sa reconnaissance des cibles par l'ubiquitine, et le devenir des protéines prises en charge.

I. Le compartiment cytosolique

A. Définition et aspect

• Le cytosol est une solution aqueuse contenant 80 à 85 % d'eau, d'aspect clair et homogène — d'où son autre nom d'HYALOPLASME (du grec hyalos, verre : « plasma transparent comme le verre »).
• Il représente environ la MOITIÉ du cytoplasme.
• Sur le plan expérimental, le cytosol correspond au SURNAGEANT après sédimentation : c'est sa définition opératoire en fractionnement cellulaire.
• Il contient une très grande variété de molécules solubles ainsi que des particules en suspension.

B. Les états sol et gel

Le cytosol se présente sous un état de GEL ou un état de SOL, de façon RÉVERSIBLE. Cette transition dépend des liaisons plus ou moins fortes entre les macromolécules fibreuses ou globulaires qu'il contient — au premier rang desquelles les filaments d'actine et leurs protéines associées.

C. Contenu

À côté des éléments du cytosquelette, des ribosomes et de leurs sous-unités, le cytosol contient des inclusions et des particules visibles au MO et/ou au MET : glycogène, gouttelettes lipidiques, pigments.

II. Les fonctions du cytosol

Le cytosol représente un CARREFOUR MÉTABOLIQUE : à côté de la synthèse protéique, en totalité ou en partie, il abrite de nombreuses voies de synthèse et de dégradation de molécules, avec production d'énergie sous forme d'ATP.

A. Les synthèses protéiques

• Le début de toute synthèse protéique est TOUJOURS cytosolique ; la suite dépend de la destinée de la protéine.
• Les protéines non destinées au RE subissent leurs modifications au sein même du cytosol, pendant et après la traduction : phosphorylation–déphosphorylation, O-glycosylations…

B. Le stockage des précurseurs des molécules énergétiques

• Le glycogène existe sous forme de particules BÊTA et de particules ALPHA, ces dernières résultant de l'agglomération des précédentes. Elles sont très DENSES au MET.
• Les lipides sont stockés sous forme de GOUTTELETTES entourées d'une MONOCOUCHE moléculaire lipidique — et non d'une bicouche. Leur taille et leur nombre varient selon le type cellulaire et le degré d'activité de la cellule. Elles ont un aspect moyennement dense et homogène au MET, et sont principalement composées de TRIGLYCÉRIDES.
• Ces gouttelettes sont souvent étroitement associées au RE et aux MITOCHONDRIES, qui prélèvent les acides gras pour les oxyder dans la matrice.

C. Le métabolisme du glucose et la production d'énergie

Les voies cataboliques aboutissent à des produits terminaux communs et conduisent à la synthèse d'ATP. Le glucose-6-phosphate (G-6-P) est le CARREFOUR OBLIGATOIRE du métabolisme glucidique, ouvrant sur trois voies :

• Rappel du chapitre des mitochondries : la glycolyse est ANAÉROBIE et se déroule entièrement dans le cytosol.

D. La protéolyse cytosolique

La cellule et son environnement sont soumis à des remaniements continuels. Pour survivre et assurer correctement ses fonctions, la cellule doit procéder aussi bien à la synthèse de nouvelles protéines qu'à la dégradation des plus anciennes — dégradation qui peut être totale ou partielle. La dégradation des protéines fait intervenir des protéases de deux types selon leur pH optimal :

• Protéases actives à pH ACIDE : celles des endosomes et des lysosomes.
• Protéases actives à pH NEUTRE : c'est la PROTÉOLYSE CYTOSOLIQUE. Ces protéases cytosoliques sont organisées en complexes, les PROTÉASOMES.

III. Le protéasome — structure

A. Caractères généraux

• Complexes de protéases fonctionnant à pH NEUTRE, décelables en MET et NON LIMITÉS PAR UNE MEMBRANE — différence fondamentale avec le lysosome.
• On peut les mettre en évidence en n'importe quel point du cytosol, où ils assurent la dégradation de la grande majorité des protéines dont le cytosol doit se débarrasser.
• Il en existe entre 20 000 et 30 000 dans une cellule humaine moyenne.

B. Le protéasome 26S

• Le protéasome 26S est formé d'une partie catalytique 20S et de DEUX extrémités régulatrices 19S.
• Le protéasome 20S est un CYLINDRE CREUX d'environ 15 nm / 11,5 nm, formé par 4 ANNEAUX délimitant 3 CHAMBRES. La chambre CENTRALE est la plus grande et représente le site d'hydrolyse du substrat.
• Le COUVERCLE est responsable de la reconnaissance des chaînes d'ubiquitines.
• La BASE possède entre autres une activité CHAPERONNE.
• Il semble que l'hydrolyse de l'ATP soit nécessaire à l'INJECTION des substrats dans la chambre catalytique. L'hydrolyse du substrat, elle, se fait à pH NEUTRE.
• Les protéases du protéasome appartiennent à la superfamille AAA (ATPases Associated with different cellular Activities). Elles sont également présentes dans la mitochondrie.

IV. Reconnaissance de la cible et devenir de la protéine

A. Les signaux exposés par la protéine

Les protéines destinées à la correction ou à la destruction doivent « exposer » des signaux distinctifs :

• Protéines DÉNATURÉES : une séquence d'acides aminés oxydés ou anormaux.
• Protéines MAL REPLIÉES : une séquence d'acides aminés normalement NON ACCESSIBLE quand la protéine a une conformation normale — le mauvais repliement l'expose.

B. L'ubiquitine

• Ces signaux sont reconnus par une petite molécule CHAPERONNE : l'UBIQUITINE.
• L'ubiquitine se lie de façon COVALENTE à un résidu LYSINE de la protéine cible.
• Cette liaison est suivie, par effet COOPÉRATIF, de l'addition de plusieurs ubiquitines.
• C'est finalement la CHAÎNE constituée par les molécules d'ubiquitines — et non une ubiquitine isolée — qui constitue le signal reconnu par le protéasome.

C. Le devenir de la protéine prise en charge

• La protéine MAL REPLIÉE peut être CORRIGÉE et RESTITUÉE au cytosol — le protéasome n'est donc pas seulement un broyeur.
• Cette même protéine sera DÉTRUITE si la correction s'avère impossible.
• La protéine DÉNATURÉE sera DÉGRADÉE — sans tentative de correction.

V. Tableau comparatif — les deux voies de la protéolyse

• Les deux voies communiquent : rappelons que certaines protéines ubiquitinylées partiellement dégradées par les protéasomes pénètrent directement dans le lysosome — c'est le quatrième mode de formation des lysosomes, favorisé par le jeûne prolongé.

Conclusion

Le cytosol n'est pas un milieu inerte mais le carrefour métabolique de la cellule. Solution aqueuse à 80-85 % d'eau représentant la moitié du cytoplasme, capable de passer réversiblement de l'état sol à l'état gel, il abrite le début de toute synthèse protéique, le stockage du glycogène (particules bêta puis alpha) et des triglycérides (gouttelettes à monocouche lipidique), et l'ensemble des voies partant du glucose-6-phosphate, carrefour obligatoire du métabolisme glucidique. Sa quatrième fonction, la protéolyse à pH neutre, repose sur le protéasome : 20 000 à 30 000 par cellule, non limité par une membrane, formé d'un cylindre catalytique 20S à 4 anneaux et 3 chambres coiffé de deux régulateurs 19S. La cible n'est pas choisie par sa localisation mais par un marquage covalent : la chaîne d'ubiquitines fixée sur une lysine. Le protéasome peut alors corriger ou détruire — nuance essentielle qui en fait un organe de contrôle de qualité autant qu'une machine de dégradation. Le chapitre suivant, consacré au noyau interphasique, abordera le compartiment qui gouverne toutes ces synthèses.