Système ubiquitine-protéasome et contrôle du cycle cellulaire

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Notre équipe étudie les mécanismes complexes qui contrôlent la dégradation spécifique et régulée des protéines intracellulaires. Ce processus, appelé protéolyse intracellulaire, est un processus essentiel puisqu’il intervient directement dans le contrôle des niveaux et des fenêtres d’expression des protéines, qui doivent être ajustés précisément et individuellement aux besoins des cellules.

De ce fait, la protéolyse intracellulaire a de multiples fonctions, et ses dysfonctionnements sont impliqués dans un grand nombre de pathologies (cancers, maladies neuro-dégénératives comme Alzheimer ou Parkinson, …). Il est donc très important de comprendre les rôles biologiques et les mécanismes d’action des systèmes prenant en charge la protéolyse intracellulaire.

Dans ce contexte, notre équipe de recherche s’intéresse plus particulièrement au système ubiquitine-protéasome, qui met en jeu des mécanismes très sophistiqués impliquant au total des centaines de composants pour reconnaître spécifiquement, et le plus souvent de manière précisément régulée, les protéines à dégrader.

Au cœur de ce système se trouvent les protéasomes, qui sont des machines moléculaires hydrolysant les protéines en peptides inactifs.

Les protéasomes constituent une famille de complexes protéiques qui partagent tous un même cœur protéolytique, appelé le protéasome 20S, mais qui diffèrent par les différents complexes régulateurs qui lui sont associés et qui servent en particulier à la sélection des protéines à dégrader.

Dans l’équipe, nous étudions principalement la régulation, les fonctions biologiques et les mécanismes d’action d’un de ces régulateurs, PA28γ, qui est impliqué dans le contrôle de l’architecture du noyau des cellules ainsi que dans la réponse cellulaire au stress, et qui semble jouer un rôle clé dans le développement de certains cancers.

Nous suivons à l’heure actuelle deux grands axes de recherche concernant PA28γ.

Le premier vise à comprendre les rôles biologiques d’un interacteur majeur de PA28γ que nous avons identifié et appelé PIP30. PIP30 est une protéine dimérique qui s’associe à PA28γ et régule ses fonctions. Nous avons notamment démontré récemment que PIP30 intervient dans la régulation de structures intranucléaires appelés « Corps de Cajal » en modulant l’association de PA28γ avec des constituants de ces corps nucléaires.

Le deuxième axe de recherche concerne l’étude d’un nouveau rôle que nous avons découvert pour PA28γ dans le contrôle de la chromatine. La chromatine, qui comprend l’ADN et les protéines qui régulent directement son organisation et l’expression des gènes, est une structure extrêmement organisée mais néanmoins très dynamique. Nos travaux ont permis de démontrer que PA28γ joue un rôle important dans l’organisation de la chromatine, et nous cherchons donc à disséquer les mécanismes par lesquels il exerce cette fonction.

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Olivier Coux

Membres de l'équipe

  • Veronique BALDIN
    (CRCN) +33 (0)4 34 35 95 43
  • Catherine BONNE ANDREA
    (Chercheur DR2) +33 (0)4 34 35 95 42
  • Olivier COUX Chef d'equipe
    (Chercheur DR2) +33 (0)4 34 35 95 42
  • Didier FESQUET
    (CRCN) +33 (0)4 34 35 95 53
    • 2019

      The HslV Protease from Leishmania major and Its Activation by C-terminal HslU Peptides.

      Kebe NM, Samanta K, Singh P, Lai-Kee-Him J, Apicella V, Payrot N, Lauraire N, Legrand B, Lisowski V, Mbang-Benet D,[...]

      Int J Mol Sci. 20(5). Pubmed

    • 2019

      Proteasome 19S RP and translation preinitiation complexes are secreted within exosomes upon serum starvation.

      Bec N, Bonhoure A, Henry L, Berry L, Larroque C, Coux O, Stoebner PE, Vidal M.

      Traffic. (7):516-536. Pubmed

    • 2019

      PROTEOSTASIS: A European Network to Break Barriers and Integrate Science on Protein Homeostasis.

      Dissmeyer N, Coux O, Rodriguez MS, Barrio R; Core Group Members of PROTEOSTASIS.

      Trends Biochem Sci. pii: S0968-0004(19)30007-6. Pubmed

    • 2018

      PIP30/FAM192A is a novel regulator of the nuclear proteasome activator PA28γ.

      Jonik-Nowak B, Menneteau T, Fesquet D, Baldin V, Bonne-Andrea C, Méchali F, Fabre B, Boisguerin P, de Rossi S, Henriquet[...]

      Proc Natl Acad Sci U S A. pii: 201722299. Pubmed

    • 2017

      The stability of Fbw7α in M-phase requires its phosphorylation by PKC.

      Zitouni S, Méchali F, Papin C, Choquet A, Roche D, Baldin V, Coux O, Bonne-Andrea C.

      PLoS One. 12(8):e0183500. Pubmed

    • 2017

      The proteasome maturation protein POMP increases proteasome assembly and activity in psoriatic lesional skin.

      Zieba BA, Henry L, Lacroix M, Jemaà M, Lavabre-Bertrand T, Meunier L, Coux O, Stoebner PE.

      J Dermatol Sci. S0923-1811(16)31057-X Pubmed

    • 2016

      Inhibition of Proteasome Activity Induces Formation of Alternative Proteasome Complexes.

      Welk V, Coux O, Kleene V, Abeza C, Trümbach D, Eickelberg O, Meiners S.

      J Biol Chem. 291:13147-59. Pubmed

    • 2015

      Extracting, enriching, and identifying nuclear body sub-complexes using label-based quantitative mass spectrometry.

      Fox A, Mehta V, Boulon S, Trinkle-Mulcahy L.

      Methods Mol Biol. 1262:215-38. Pubmed

    • 2015

      Evolution of proteasome regulators in eukaryotes.

      Fort P, Kajava AV, Delsuc F, Coux O.

      Genome Biol Evol. 7:1363-79. Pubmed

    • 2014

      Kizuna is a novel mitotic substrate for CDC25B phosphatase.

      Thomas Y, Peter M, Mechali F, Blanchard JM, Coux O, Baldin V.

      Cell Cycle. 13:3867-77. Pubmed

    • 2014

      The bacterial-like HslVU protease complex subunits are involved in the control of different cell cycle events in trypanosomatids.

      Mbang-Benet DE, Sterkers Y, Morelle C, Kebe NM, Crobu L, Portalès P, Coux O, Hernandez JF, Meghamla S, Pagès M,[...]

      Acta Trop. 131:22-31. Pubmed

    • 2014

      High-resolution live-cell imaging reveals novel cyclin A2 degradation foci involving autophagy.

      Loukil A, Zonca M, Rebouissou C, Baldin V, Coux O, Biard-Piechaczyk M, Blanchard JM, Peter M.

      J Cell Sci. 127:2145-50. Pubmed

    • 2014

      Proteomic and 3D structure analyses highlight the C/D box snoRNP assembly mechanism and its control.

      Bizarro J, Charron C, Boulon S, Westman B, Pradet-Balade B, Vandermoere F, Chagot ME, Hallais M, Ahmad Y, Leonhardt H,[...]

      J Cell Biol. 207(4):463-80. Pubmed

    • 2013

      SUMO2/3 modification of cyclin E contributes to the control of replication origin firing.

      Bonne-Andrea C, Kahli M, Mechali F, Lemaitre JM, Bossis G, Coux O.

      Nat Commun. 4:1850. Pubmed

    • 2012

      Human Mob1 proteins are required for cytokinesis by controlling microtubule stability.

      Florindo C, Perdigão J, Fesquet D, Schiebel E, Pines J, Tavares AA.

      J Cell Sci. 125(Pt 13):3085-90. Pubmed

    • 2012

      HIV-1, ubiquitin and ubiquitin-like proteins: the dialectic interactions of a virus with a sophisticated network of post-translational modifications.

      Biard-Piechaczyk M, Borel S, Espert L, de Bettignies G, Coux O.

      Biol Cell. 104(3):165-87. Pubmed

    • 2012

      HSP90 and the R2TP co-chaperone complex: building multi-protein machineries essential for cell growth and gene expression.

      Boulon S, Bertrand E, Pradet-Balade B.

      RNA Biol. 9(2):148-54. Pubmed

    • 2011

      An intranucleolar body associated with rDNA.

      Hutten S, Prescott A, James J, Riesenberg S, Boulon S, Lam YW, Lamond AI.

      Chromosoma. 120(5):481-99. Pubmed

    • 2011

      Proteolytic activity and expression of the 20S proteasome are increased in psoriasis lesional skin.

      Henry L, Le Gallic L, Garcin G, Coux O, Jumez N, Roger P, Lavabre-Bertrand T, Martinez J, Meunier L, Stoebner[...]

      Br J Dermatol. 165(2):311-20. Pubmed

    • 2011

      CRM1 controls the composition of nucleoplasmic pre-snoRNA complexes to licence them for nucleolar transport.

      Pradet-Balade B, Girard C, Boulon S, Paul C, Azzag K, Bordonné R, Bertrand E, Verheggen C.

      EMBO J. 30(11):2205-18. Pubmed

    • 2010

      A capsid-encoded PPxY-motif facilitates adenovirus entry.

      Wodrich H, Henaff D, Jammart B, Segura-Morales C, Seelmeir S, Coux O, Ruzsics Z, Wiethoff CM, Kremer EJ.

      PLoS Pathog. 6(3):e1000808. Pubmed

    • 2010

      Lessons from interconnected ubiquitylation and acetylation of p53: think metastable networks.

      Benkirane M, Sardet C, Coux O.

      Biochem Soc Trans. 38(Pt 1):98-103. Pubmed

    • 2010

      Proteasome inhibitors: Dozens of molecules and still counting.

      de Bettignies G, Coux O.

      Biochimie. 92(11):1530-45. Pubmed

    • 2010

      βTrCP-dependent degradation of CDC25B phosphatase at the metaphase-anaphase transition is a pre-requisite for correct mitotic exit.

      Thomas Y, Coux O, Baldin V.

      Cell Cycle. 9(21):4338-50. Pubmed

    • 2010

      HSP90 and its R2TP/Prefoldin-like cochaperone are involved in the cytoplasmic assembly of RNA polymerase II.

      Boulon S, Pradet-Balade B, Verheggen C, Molle D, Boireau S, Georgieva M, Azzag K, Robert MC, Ahmad Y, Neel H,[...]

      Mol Cell. 39(6):912-924. Pubmed

    • 2009

      High yield bacterial expression and purification of active recombinant PA28alphabeta complex.

      Le Feuvre AY, Dantas-Barbosa C, Baldin V, Coux O.

      Protein Expr Purif. 2009 Apr;64(2):219-24. Pubmed

    • 2008

      JunB breakdown in mid-/late G2 is required for down-regulation of cyclin A2 levels and proper mitosis.

      Farràs R, Baldin V, Gallach S, Acquaviva C, Bossis G, Jariel-Encontre I, Piechaczyk M.

      Mol Cell Biol. 28(12):4173-87. Pubmed

    • 2008

      A novel role for PA28gamma-proteasome in nuclear speckle organization and SR protein trafficking.

      Baldin V, Militello M, Thomas Y, Doucet C, Fic W, Boireau S, Jariel-Encontre I, Piechaczyk M, Bertrand E, Tazi J,[...]

      Mol Biol Cell. 19(4):1706-16. Pubmed

    Le système Ubiquitine-Protéasome

    UbPr system French 400

    Le système ubiquitine-protéasome (UPS) est un système multi-enzymatique extrêmement complexe, qui fonctionne schématiquement en deux étapes distinctes dans la dégradation régulée des protéines intracellulaires.

    Dans un premier temps, la protéine substrat est étiquettée par l’addition d’une chaîne formée par la conjugaison successive d’une ou plusieurs molécule(s) d’ubiquitine (Ub), grâce à l’action d’une cascade enzymatique impliquant trois types de facteurs appelés E1 (enzyme d’activation de l’Ub), E2 (enzyme de congaison de l’Ub) et E3 (Ub-ligase). La spécificité de la réaction (appelée réaction d’ubiquitylation) est due en grande partie aux E3s, qui sont responsables du recrutement des substrats. Ces E3-ligases existent donc en très grand nombre (plusieurs centaines) dans les cellules. Il existe également de nombreuses enzymes de dé-ubiquitylation (environ une centaine chez l’homme), qui sont capables d’enlever la chaîne d’Ub du substrat, et qui de ce fait participent au contrôle fin de la réaction d’ubiquitylation.

    Dans un deuxième temps, la chaîne de poly-ubiquitine est reconnue  par une protéase géante appelée le protéasome 26S, qui dégrade la protéine ubiquitylée en peptides inactifs.


     Le protéasome

     

    20S 400

    Le protéasome 20S est une protéase en forme de cylindre creux, extrêmement conservée au cours de l’évolution. Il est constitué de 28 sous-unités assemblées en quatre anneaux de sept sous-unités chacun. Les deux anneaux externes sont formés par les sous-unités α, alors que les deux anneaux internes sont formés par les sous-unités β.

    Les sites catalytiques sont enfermés dans une cavité interne délimitée par les anneaux β. Trois types d’activité peptidasiques sont décrites: une activité de type chymotrypsine (clivage après un résidu hydrophobe), une activité de type trypsine (clivage après un résidu basique), et une activité de type caspase (clivage après un résidu acide).

    Une carastéristique importante du protéasome 20S est que ce complexe seul est peu actif. En effet, les sites catalytiques sont enfermés dans une chambre interne formée  par les deux anneaux β, et ne sont accessibles que via des pores axiaux délimités par les anneaux α et fermés par les extrémités C-terminales des sous-unités α. En conséquence, l’entrée des substrats dans la chambre catalytique nécessite l’intervention de complexes régulateurs qui en se fixant aux extrémités du protéasome 20S ouvrent les pores. Une vidéo illustrant ce processus d’ouverture des pores par fixation sur le protéasome 20S d’un régulateur (ici PA28αβ, voir ci-dessous) a été réalisée par Geoffroy de Bettignies, un ancien membre de notre équipe (Voir la vidéo).

    FamilleProteasome 400

    Du fait de l’existence du différents régulateurs du protéasome 20S, le terme protéasome généralement employé dans la littérature scientifique correspond en fait à une famille de complexes protéasiques, qui possèdent tous en commun le cœur protéolytique constitué par le protéasome 20S, mais qui diffèrent par le ou les régulateurs fixés à ce dernier. Parmi ces régulateurs, le plus connu est le complexe 19S ou RP (pour « regulatory particle ») qui forme avec le protéasome 20S le complexe appelé protéasome 26S responsable notamment de la dégradation des protéines ubiquitylées. D’autres régulateurs aux fonctions et modes d’action moins bien compris ont été décrits: deux complexes nucléaires, PA28γ et PA200, et un complexe cytoplasmique proche de PA28γ et appelé PA28αβ.


     Liens utiles