ADP-ribosylation

Structure de l'ADP ribose.

L'ADP-ribosylation est une modification post-traductionnelle de certaines protéines consistant à leur adjoindre une ou plusieurs unités ADP-ribose. Il s'agit d'une modification réversible intervenant dans de nombreux processus des cellules vivantes, notamment la signalisation cellulaire, la réparation de l'ADN, la régulation de l'expression génétique (épigénétique) et l'apoptose. Certaines formes de cancer ont été associées à une ADP-ribosylation incorrecte. Cette modification est également à la base du mécanisme d'action de certaines toxines bactériennes telles que la toxine cholérique et la toxine diphtérique.

Mécanisme catalytique

Mécanisme catalytique des ADP-ribosyltransférases ; les deux résidus de glutamate de la triade catalytique sont représentés en bleu.

La source d'ADP-ribose pour la plupart des enzymes qui assurent l'ADP-ribosylation des protéines et le NAD⁺, une coenzyme d'oxydoréduction. Au cours de cette réaction de transfert, la liaison N-osidique qui relie le résidu de nicotinamide au reste de la molécule de NAD⁺ est clivée, permettant la substitution nucléophile avec la chaîne latérale du résidu d'acide aminé cible de la protéine.

Les ADP-ribosyltransférases peuvent réaliser deux types de modifications : des mono(ADP-ribosylations), et des poly(ADP-ribosylations).

Mono(ADP-ribosylation)

Les mono-ADP-ribosyltransférases catalysent généralement l'addition d'une unité ADP-ribose à l'extrémité de la chaîne latérale d'un résidu d'arginine à l'aide d'un motif R—S—EXE (Arg–//–Ser–//–Glu–Xaa–Glu) hautement conservé, dont les trois premiers résidus conservés forment la triade catalytique. La réaction commence par la formation d'un ion oxonium par rupture de la liaison entre le nicotinamide et le ribose, puis la chaîne latérale du résidu d'arginine cible agit comme un nucléophile pour attirer l'atome de carbone électrophile adjacent à l'ion oxonium. Pour que cela puisse se produire, l'arginine est déprotonée par un résidu de glutamate de l'enzyme, tandis qu'un autre résidu de glutamate conservé forme une liaison hydrogène avec l'un des hydroxyles du ribose pour faciliter la réaction. Le clivage de la liaison aboutit à la libération du nicotinamide, laissant un résidu d'ADP-ribose sur la protéine ADP-ribosylée.

Cette ADP-ribosylation peut notamment être annulée par une ADP-ribosylarginine hydrolase, qui libère de l'ADP-ribose et restitue la protéine dans son état initial ; le NAD lui-même, en revanche, n'est pas reformé.

Poly(ADP-ribosylation)

Les poly(ADP-ribose) polymérases (PARP) sont présentes essentielles chez les eucaryote et catalysent le transfert de plusieurs unités ADP-ribose à des protéines cibles. La source d'unités ADP-ribose est le NAD, comme pour les mono(ADP-ribosylation)s. Elles utilisent une triade catalytique His-Tyr-Glu pour faciliter la liaison au NAD et le positionnement de l'extrémité de la chaîne d'ADP-ribose naissante sur la protéine cible. Le résidu de glutamate catalyse la formation de la liaison (1→2)-O-osidique entre deux résidus de ribose.

Il existe plusieurs enzymes susceptibles de reconnaître les chaînes de poly(ADP-ribose), les hydrolyser ou les ramifier, et on a par ailleurs identifié plus de 800 protéines porteuses du motif de liaison au poly(ADP-ribose), motif aux contours par ailleurs mal définis : cela signifie que ce motif, aux contours mal définis, peut également intervenir pour recruter d'autres protéines ou pour régulation de la protéine cible.

Rôles physiologiques

Apoptose

Les poly(ADP-ribose) polymérases sont activées lorsque l'ADN est endommagé ou lors d'un stress cellulaire, ce qui a pour effet d'accroître la quantité de protéines poly(ADP-ribosyl)ées et de réduire la quantité de NAD dans la cellule. On a longtemps cru que la poly(ADP-ribose) polymérase 1poly(ADP-ribose) polymérase 1 (PARP-1) était la seule poly(ADP-ribose) polymérase des cellules de mammifères, de sorte qu'elle a été la plus étudiée. Les caspases sont des protéases à cystéine qui jouent un rôle déterminant dans les processus d'apoptose. Ces enzymes clivent la PARP-1 en deux fragments, ce qui l'inactive complètement et limite la poly(ADP-ribosylation) des protéines. L'un de ces fragments migre du noyau vers le cytoplasme, où l'on pense qu'il déclenche une réponse auto-immunitaire (en).

Lors du processus de parthanatos (en) — distinct de la nécrose et de l'apoptose — l'activation de poly(ADP-ribose) polymérases ou l'inactivation de la poly(ADP-ribose) glycohydrolase conduit à une accumulation de poly(ADP-ribose) cellulaire. On a pu montrer que le poly(ADP-ribose) induit la translocation du facteur d'induction de l'apoptose (en) (AIF) vers le noyau, où il intervient sur la fragmentation de l'ADN. On a également suggéré qu'un défaut d'activation des caspases sous l'effet d'un stress puisse entraîner une nécrose. L'activation excessive des poly(ADP-ribose) polymérases peut déclencher une nécrose régulée par une protéine de la famille du facteur de nécrose tumorale. Les inhibiteurs des PARP ont un effet sur la nécrose, bien qu'on n'ait pas encore compris le mécanisme de cet effet.