La régulation moléculaire de l’auto-alimentation

L’autophagie, ou « auto-alimentation », est un mécanisme essentiel de contrôle de la qualité cellulaire qui élimine la cellule des agrégats de protéines et des organites endommagés. Ce mécanisme est inactif dans des conditions normales et ne se déclenche qu’en cas de stress cellulaire persistant.

Des chercheurs de l’Institut Gregor Mendel de biologie moléculaire des plantes (GMI) de l’Académie autrichienne des sciences et des laboratoires Max Perutz ont découvert un interrupteur moléculaire qui régule l’autophagie chez les plantes. En combinant l’analyse évolutive avec une approche expérimentale mécaniste, ils ont démontré que ce mécanisme de régulation est conservé chez les eucaryotes. Les résultats ont été publiés le 10 février dans Le journal de l’EMBO.

Le stress cellulaire persistant, résultant de perturbations de l’homéostasie cellulaire, altère la forme physique et la durée de vie des cellules. Le stress cellulaire peut se développer, par exemple, lorsque les ribosomes entrent en collision lors de la traduction d’ARNm défectueux. En conséquence, les cellules sont surchargées de produits protéiques non finis et mal formés qui forment des agrégats de protéines toxiques.

Lors d’un stress cellulaire, les cellules peuvent faire appel à un arsenal de mécanismes de contrôle de la qualité (CQ) pour rétablir l’homéostasie. Les cellules subissant un stress prolongé dans le réticulum endoplasmique (ER), le centre cellulaire de la synthèse et du transport des protéines, initient une voie autophagique spécifique à l’ER appelée « ER-phagy » pour éliminer sélectivement l’ER endommagé.

Lorsque les ribosomes entrent en collision sur le RE, une autre voie QC, appelée « UFMylation », coopère avec la phagie ER pour se débarrasser des protéines incomplètement synthétisées au niveau de la membrane du RE. L’UFMylation est une voie QC énigmatique basée sur une modification post-traductionnelle d’une protéine qui ressemble à l’ubiquitine et dont les fonctions sont encore en cours de déchiffrement.

Maintenant, une équipe de chercheurs du BioCenter de Vienne a découvert un ancien interrupteur moléculaire qui régule la phagie ER. En utilisant une combinaison de biologie évolutive et d’expérimentation mécaniste, les chercheurs ont démontré que la compétition entre deux molécules de type ubiquitine, UFM1 et ATG8, crée un interrupteur moléculaire dans le régulateur principal C53, initiant ainsi la phagie ER.

UFMylation et ER-phagy : combler les voies par une liaison similaire, mais distincte

« Nos travaux précédents ont suggéré que C53 pourrait lier les deux mécanismes de contrôle de la qualité, ER-phagy et UFMylation. Cependant, la nature moléculaire de ce pont restait incertaine », déclare l’auteur co-correspondant et chef de groupe GMI Yasin Dagdas. Dans le travail en question, publié en 2020, les scientifiques ont montré que C53 interagissait avec la protéine ATG8, un acteur de type ubiquitine dans la voie de l’autophagie, via des séquences non canoniques ATG8 Interacting Motif (AIM) dans la région intrinsèquement désordonnée de C53.

Les chercheurs ont nommé ces AIM non canoniques « AIM mélangés » (sAIM). Ils ont également démontré que l’UFM1, la molécule de type ubiquitine qui est attachée en tant que modification chimique aux substrats protéiques, entre en compétition avec ATG8 pour la liaison à C53. La région intrinsèquement désordonnée C53 contient trois motifs sAIM et un AIM canonique (cAIM).

« Maintenant, en utilisant la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, nous avons montré que C53 sAIM1 et sAIM2 étaient les motifs de liaison préférés d’UFM1. D’autre part, ATG8 avait une préférence considérablement plus élevée pour le motif cAIM sur C53, comme prévu pour une séquence de liaison canonique. Pourtant, ATG8 a également interagi avec sAIM1 et sAIM2, bien qu’avec une affinité moindre », explique Elif Karagöz, auteur co-correspondant et chef de groupe Max Perutz Labs.

Le bricolage avec la reliure modifie l’équilibre entre les voies

Après avoir découvert les préférences de liaison d’UFM1 et d’ATG8 dans la région intrinsèquement désordonnée de C53, l’équipe a cherché à tester leur fonction en remplaçant les motifs sAIM dans C53 par des séquences cAIM canoniques. En introduisant ces mutations dans Arabidopsis thaliana, les chercheurs ont efficacement renforcé l’affinité de liaison d’ATG8 à C53 et altéré la liaison d’UFM1.

Cela a conduit à un déclenchement constant à travers la voie d’autophagie C53 et a fortement sensibilisé les plantes au stress ER. Ainsi, l’équipe a démontré que les sAIM sont essentiels pour réguler la phagie ER médiée par C53 et donc la tolérance au stress ER.

L’UFMylation est hautement conservée chez les eucaryotes

L’équipe a analysé la voie évolutive des composants C53, sAIM et UFMylation avec l’aide du laboratoire de Thomas A. Richards à l’Université d’Oxford. Ils ont démontré que l’autophagie médiée par C53 était conservée chez les eucaryotes et que C53 co-évoluait avec la voie UFMylation.

Des restes moléculaires ou l’existence de protéines apparentées indiquaient que des champignons, certaines algues et certains parasites eucaryotes étaient sujets à une perte secondaire d’UFMylation et/ou de C53. « Nos résultats montrent que C53 est très lié à l’UFMylation, suggérant un lien fonctionnel hautement conservé. Cela s’applique en particulier aux sAIM : chez les espèces qui ont perdu l’UFM1, leur C53 a également perdu ses sAIM », explique Dagdas.

Avec l’aide du laboratoire de Silvia Ramundo au GMI, les chercheurs sont allés plus loin et ont démontré que l’algue unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii possède une voie d’UFMylation fonctionnelle. Cette découverte contredit les affirmations précédentes selon lesquelles la voie UFMylation était liée à l’évolution de la multicellularité.

Un puissant mécanisme QC régulé par un ancien interrupteur moléculaire

« Pris ensemble, nos découvertes indiquent que les motifs d’interaction ATG8 non canoniques ont évolué pour permettre à une autre protéine de type ubiquitine, UFM1, de se lier à C53 et de la maintenir inactive dans des conditions homéostatiques », explique Dagdas. Ce mécanisme est essentiel pour empêcher les cellules de « manger » des composants cellulaires sains.

Enfin, étant donné que les champignons et certains parasites eucaryotes ont perdu la voie UFMylation à un moment plus récent de l’évolution, Dagdas pense que ces organismes doivent avoir développé des mécanismes analogues pour remplir la même fonction, à savoir le maintien de l’homéostasie du RE. « L’identification de tels mécanismes chez les champignons, mais aussi chez les parasites affectant les plantes, les animaux et même les humains ouvrirait des voies potentielles de traduction pour de nouveaux médicaments », conclut Dagdas.