O-GlcNAc glycosylation et régulation de la signalisation cellulaire

MEDECINE/SCIENCES 2010 ; 26 : 753-9 REVUES Tarik Issad Le séquençage du génome humain, au début des années 2000, a révélé que notre patrimoine génétique comprenait moins de 40 000 gènes (20-25 000 gènes codant pour des protéines selon des estimations plus récentes [1]) alors que les cellules vivantes sont des systèmes sophistiqués comprenant un nombre très important d’activités biologiques complexes. Cette grande diversité des activités cellulaires, surprenante au regard du faible nombre de gènes qui codent pour les protéines, peut en partie s’expliquer par les nombreuses modifications post-traductionnelles (phosphorylation, glycosylation, sumoylation, acétylation, ubiquitinylation, nitrosylation, palmitoylation, farnésylation, méthylation, ADP-ribosylation, hydroxylation, oxydation, etc.) qui augmentent de façon importante les potentialités fonctionnelles des protéines. Ces modifications contrôlent en particulier leur localisation dans différents compartiments cellulaires et leur interaction avec différents partenaires au sein d’assemblages multimoléculaires, permettant la mise en place de réseaux de signalisation complexes. Les phosphorylations et glycosylations constituent les modifications post-traductionnelles les plus abon- SYNTHÈSE > La O-GlcNAcylation correspond à l’addition de N-Acétylglucosamine sur des résidus sérine/thréonine de protéines cytosoliques ou nucléaires. Elle constitue un mode de régulation post-traductionnel réversible, analogue aux phosphorylations, qui contrôle l’activité, la stabilité ou la localisation des protéines en fonction de la disponibilité en glucose. Des perturbations de la O-GlcNAcylation des protéines pourraient jouer un rôle important dans des pathologies humaines comme le diabète de type 2. En effet, de nombreux travaux indiquent que la O-GlcNAcylation de protéines impliquées dans la signalisation de l’insuline conduit à une atténuation du signal, suggérant un mécanisme par lequel l’hyperglycémie chronique pourrait aggraver la résistance à l’insuline observée chez les patients diabétiques. < O-GlcNAc glycosylation et régulation de la signalisation cellulaire Institut Cochin, 22, rue Méchain, 75014 Paris, France. Université Paris Descartes, CNRS (UMR 8104), Paris ; Inserm, U1016, Paris, France. dantes et les mieux connues. Cependant, alors que les phosphorylations sont généralement considérées comme étant des modifications rapides et réversibles, permettant à la cellule de répondre à divers stimulus et de s’adapter aux variations de son environnement, les glycosylations ont longtemps été considérées comme des modifications stables, impliquant l’ajout de chaînes complexes d’hydrates de carbone, qui généralement restent présentes sur la protéine mature tout au long de son existence. Ces glycosylations complexes, sur des résidus sérine/thréonine (O-glycosylations) ou asparagine (N-glycosylations), ne se rencontrent que dans certains compartiments cellulaires (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, face externe de la membrane plasmique) et concernent essentiellement les protéines membranaires ou sécrétées. Cependant, en 1984, en étudiant la distribution des résidus N-Acétylglucosamine terminaux à la surface des lymphocytes T, G. W. Hart [2] a découvert un type de glycosylation original, la O-N-Acétylglucosaminylation (O-GlcNAcylation), qui consiste en l’addition d’un monosaccharide, la N-acétyl-glucosamine, sur le groupement hydroxyl d’acides aminés sérine ou thréonine (Figure 1). Il s’est ensuite rendu compte que, contrairement aux glycosylations « classiques », cette modification était observée essentiellement dans le cytoplasme et le noyau de la cellule [3, 4]. M/S n° 8-9, vol. 26, août-septembre 2010 Article disponible sur le site http://www.medecinesciences.org ou http://dx.doi.org/10.1051/medsci/2010268-9753 753 Glucose Glucosamine Glucose Glucose-6-P Glutamine Glutamate Fructose-6-P GFAT Glucosamine-6-P Voie de biosynthèse des Hexosamines (HBP) UDP-GlcNAc (UDP-N-acétylglucosamine) Ser/Thr Ser/Thr OGT Protéine Protéine Figure 1. Voie de biosynthèse des hexosamines. Deux à 3 % du glucose entrant dans la cellule est dirigé vers la voie de biosynthèse des hexosamines (HBP). Cette voie, qui débute avec la synthèse de glucosamine 6-P à partir de fructose 6-P et de glutamine, conduit à la production d’UDP-GlcNAc (uridine 5-diphospho N-acétylglucosamine), substrat utilisé par l’OGT pour réaliser la O-GlcNAcylation des protéines cytosoliques ou nucléaires. L’UDP-GlcNAc est également le donneur de GlcNAc pour d’autres types de glycosylations non figurés sur ce schéma (glycosylations classiques dans le réticulum endoplasmique et le Golgi, glycolipides, etc.). L’étape limitante de la voie HBP est celle catalysée par la GFAT (glutamine fructose-6-phosphate amidotransférase) qui utilise la glutamine pour convertir le fructose-6 phosphate en glucosamine-6 phosphate. L’UDP-GlcNAc est un inhibiteur allostérique de la GFAT, permettant un rétrocontrôle négatif de la voie HBP. O-GlcNAcase Il est alors rapidement apparu que la O-GlcNAcylation des protéines cytosoliques ou nucléaires était une modification dynamique, dont le turn-over était beaucoup plus élevé que celui de la protéine ellemême [5]. De fait, on sait maintenant que la O-GlcNAcylation est une modification réversible qui, de façon analogue à la phosphorylation, contrôle l’activité des protéines et les interactions entre protéines au sein d’assemblages moléculaires [6]. Cependant, contrairement aux phosphorylations/déphosphorylations qui sont régulées par une myriade de kinases et phosphatases, deux enzymes seulement, l’OGT (O-linked N-acetyl-glucosaminyltransferase) et la N-Acétyl--D glucosaminidase (O-GlcNAcase ou OGA), dont les gènes ont été clonés respectivement en 1997 [7, 8] et 2001 [9], contrôlent le niveau de O-GlcNAcylation des protéines (Figure 1). Bien que cette modification soit connue depuis maintenant un quart de siècle, la communauté scientifique commence tout juste à prendre conscience de son importance dans la plupart des processus biologiques. Le rôle fondamental de cette modification, que l’on retrouve chez pratiquement tous les êtres vivants (animaux, végétaux, bactéries, champignons, etc.), est probablement lié au fait qu’elle pourrait constituer un mécanisme ancestral de régulation de l’activité des protéines en fonction de l’environnement énergétique de la cellule. En effet, le glucose est l’un des substrats énergétiques les plus largement utilisés par les êtres vivants. Une fraction (2-3 %) du glucose entrant dans la cellule est converti en UDP-N-Acétyl-glucosamine (UDPGlcNAc) par la voie de biosynthèse des hexosamines [10]. Le niveau 754 M/S n° 8-9, vol. 26, août-septembre 2010 d’UDP-GlcNAc dans la cellule reflète donc le flux de glucose à travers cette voie. L’UDP-GlcNAc est le substrat de l’OGT, qui peut donc être considérée comme un « senseur métabolique du glucose », capable de modifier les protéines en fonction de chang (...truncated)