Protéines intrasèquement non structurées (IUPs)

Intro Idée que structure – fonction classique peut être utilisée pour protéine non structurées. Etat non structuré est essentiel à la fonction cellulaire de base

Conviction: structure 3D bien définie est essentielle pour déterminer la fonction Ex: dans SCOP = PDB sans IUP Pb: il y a bcp de protéines (ou domaine protéique) qui ne sont pas repliées Ccl°: Accumulation d’évidence  Wright et Dyson ont suggéré qu’on change la théorie de la structure – fonction Importance de l’état non structuré souligné par leur rôle clé dans le processus cellulaire

Il faut définir ce qu’est une protéine non structurée, cela est basé sur un grand nombre de méthodes, utilisant de préférence des paramètres physiques différents

Méthodes Cristallographie par rayon X RMN hétéronucleaire Dichroïsme circulaire Autres techniques: Spectroscopie UV fluorimétrie technique hydrodynamique basé sur les caractéristiques des IUPs

Fonctions Fonction liée à leur structure désordonnée et les IUPs sont donc classées selon leur désordre structural. On est arrivé à les classer selon 5 classes fonctionnelles. (Voir Tableau 1)

5 classes: Classe 1: Chaînes entropiques Fonction  directement du désordre  protéine pas repliée Classe 2: Effecteurs Modifie activité d ’un partenaire Classe 3: Scavengers (extracteur) Stocke ou neutralise les petits ligands Classe 4: Assembleurs Assemble, régule les larges complexes protéiques (ribosomes) Classe 5: classe spéciale Médie les modifs post translationnel (phosphorylat°)

Conclusion du tableau: Tableau n’est pas exclusif (on a plusieurs fonctions Pour une protéine) 2) Règle générale: les IUPs sont impliquées dans les processus de régulation cellulaire clés 3) Bcp de protéines sont non structurées: 35-51% des protéines eucaryotes ont une région désordonnée (> 50 résidus) 6-17% des protéines codées dans de divers génomes sont complètement désordonnées

Bénéfice d’être non structuré On a vu que c’est parce que la protéine est non structurée qu’elle a certaines fonctions. Mais cet avantage se voit surtt pour les fonctions à chaîne entropique. Domaines globulaires souvent connectés par des régions très flexibles réguler la distance  Changement de conformation par forces physiques Ex: MAP2 Fonction des IUPs vient du fait qu’il y a une transition Désordre Ordre.

Désordre Ordre En effet lorsque la protéine se lie au ligand il y a un changement d’état qui  diminution de l’entropie conformationelle  découple les liaisons spécifiques fortes et rend hautement spécifiques les interactions réversibles. Fondamental dans la régulation (ex: PKA, 4EBP1) C’est donc ce phénomène de réversibilité qui est important et cela est souligné par le fait que l’action des IUPs est modulée par phosphorylation (ex: CREB TAD, Stathmin et p21/27)

Autre faculté fonctionnelle des IUPs: leur structure ouverte est en grande partie préservée quand elle forme un complexe avec leur ligand  un nombre de contacts très important et une surface de liaison importante pour une protéine de taille donnée. Ce phénomène peut être montrer à l’aide de technique de cristallographie par rayon X. (Voir fig 1)

Figure 1: On voit 3 exemples d’IUPs avec leur cible. p27 qui forme un complexe avec Cdk2 et la cycline A Le domaine transactivateur CBD de Tcf3 lié à la β-caténine. Le coactivateur transcriptionnel Bob1 en contact avec TAFII1O5 et également avec le domaine spécifique POU (SD) et l’homéodomaine de Oct1 (HD) et avec le promoteur d’Igκ Et il faut savoir qu’il existe bien d’autres exemples.

Autre caractéristique des IUPs: Les IUPs peuvent prendre différentes structures avec différents stimuli ou différentes partenaires, ce qui leur permet donc d’avoir une interaction souple avec de diverses cibles. Ce phénomène se nomme « binding promiscuity » ou « signal multiple » et il est très utilisé dans la cellule. Ex: la protéine SIBLING qui peut interagir avec des intégrines, CD44, le facteur H, le TAD de cFOS et peut alternativement lier la boite TATA , CBP, ou le domaine Cter riche en proline de la RNA polII et peut donc recruter différents complexes afin de coordiner le capping, polyadenyler, ou faire l’épissage du pré-RNA

Avantage: augmente la vitesse d’interaction et accélère la cinétique. Ex: Caséine qui empêche la précipitation du phosphate de Calcium. On voit que la cinétique de l’activité du site de fixation de la Caséine est de 10^6 à 10^7 s^-1 ce qui équivaut à la vitesse des enzymes les plus rapides. Donc la flexibilité est utilisée dans de nombreux complexes comme pour les ribosomes par exemple, qui est un grand complexe, qui ne peut être assemblé à partir de composants rigides, à cause de l’encombrement stérique .

Structure primaire montre l’ordre: Il existe une vue simpliste qui dit que les IUPs sont complètement désordonnées, mais cela ne va pas avec l’idée que ce sont des protéines dont la fonction est très perfectionné. En effet on voit un certain ordre au niveau de la composition en acides aminés, au niveau de la séquence et de la structure secondaire/tertiaire (Voir tableau 2)

Dans ce tableau on voit: Que les IUPs sont enrichies en P,E,K,S et Q Qu’elles sont déplétées en W,Y,F,C,I,L et N en comparaison avec les protéines structurées de la PDB. Cela entraîne donc Dunker à renommer les protéines selon 2 groupes: le 1er est le groupe des « disorder-promoting amino acids le 2ème est le groupe des « order-promoting amino acids Donc la structure primaire caractéristique correspondant à sa composition est une marque de reconnaissance. De plus la persistance de cette structure à travers l’évolution montre que la structure ouverte est, au niveau évolutionnaire, stable. C’est la composition en acides aminés qui va nous expliquer pourquoi.

Composition en acide aminé: L’hydrophobicité basse et la charge nette élevée associé à l’état désordonné exclusion de cluster hydrophobe et favorise une conformation par répulsion électrostatique. La déplétion des Cystéines chez IUPs n’a pas, comme chez les protéines globulaires, une fonction dans le site actif ou pour stabiliser les ponts dissulfures. Les Prolines  défavorisent les structures secondaires rigides, mais ont une préférence pour les motifs conformationnels ouvert. De plus elles permettent les contacts protéines-protéines.

Autre caractéristique : facilité de la conversion structurale de PPII (left-handed polyproline) hélice en brins ß  pose danger de l’amyloidosis MAIS la haute charge nette et la basse hydrophobicité inhibent l’agrégation. De plus la Proline et la Glutamine (très nombreuses dans les IUPs) préférent la conformation ouverte de PPII parmi toutes les autres structures secondaires or ces structures sont peu fréquentes dans les brins ß (on a donc peu de Proline dans ces brins)  sélection négative des brins ß au cours de l’évolution.

On peut donc dire que les IUPs sont très complexes au niveau de leur composition en acide aminé, et leur distribution en acide aminé est loin d’être aléatoire comme on peut le voir figure 2 et on a vu l’importance de certains acides aminés (comme la proline) Figure 2: légende Domaine: Rouge=Acide Bleu=basique Vert= riche en proline Jaune= domaine chargé

IUP ne sont pas désordonnées, mais flexibles!!! IUP souvent considérés comme des « random coil » ou « random coil like ». De plus on a vu qu’il y a une corrélation entre la structure et la fonction des IUPs, ce qui confirme que la théorie de structure-fonction doit être étendue au protéines flexibles; de tels concepts ont déjà été fait: « Protéine trinity » propose que la protéine soit sous 3 formes: globulaire repliée, protéine en fusion, et protéine non structurée et propose que la forme native provienne d’une de ses 3 formes.

Conclusion Conformation des IUPs définie par leur cible et non par leur séquence en acide aminé. Leur structure bien définie, leur fonctionnalité et leur évolution justifient le fait que l’ont les identifie comme une catégorie unique de protéine Mais cela est seulement la première étape vers la reconnaissance de leur importance et donc il y a un grand travail à venir en biologie structurale pour mieux comprendre ces IUPs

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