Le repliement des protéines est le processus par lequel une chaîne polypeptidique linéaire adopte sa structure tridimensionnelle native. Bien que la séquence d’acides aminés contienne toutes les informations nécessaires au repliement, comme démontré par les expériences classiques d’Anfinsen sur la ribonucléase, de nombreuses protéines nécessitent des chaperonnes moléculaires pour se replier efficacement dans l’environnement cellulaire encombré.

Le Problème du Repliement

Le nombre de conformations possibles pour une chaîne polypeptidique est astronomiquement grand. Une protéine de 100 acides aminés pourrait théoriquement adopter un nombre énorme de conformations, pourtant le repliement se produit en millisecondes à secondes. Ce paradoxe, connu sous le nom de paradoxe de Levinthal, montre que le repliement n’est pas une recherche aléatoire mais suit des voies spécifiques. Le repliement est guidé par l’effondrement hydrophobe, les liaisons hydrogène et la formation d’éléments de structure secondaire qui restreignent la recherche conformationnelle.

Le Paysage Énergétique

Le repliement des protéines est décrit par le concept de paysage énergétique ou d’entonnoir de repliement. Le paysage en forme d’entonnoir présente de nombreuses conformations non repliées de haute énergie au sommet et un seul état natif de basse énergie au fond. L’entonnoir n’est pas lisse mais contient des minima d’énergie locaux où des intermédiaires partiellement repliés peuvent s’accumuler. Certaines protéines se replient par l’intermédiaire d’intermédiaires bien définis, tandis que d’autres se replient par compaction plus graduelle. Les paysages accidentés avec des pièges cinétiques profonds peuvent conduire à un mauvais repliement et à une agrégation.

Effondrement Hydrophobe

La force motrice du repliement des protéines est l’effet hydrophobe. Les chaînes latérales non polaires se regroupent à l’intérieur de la protéine, minimisant leur exposition à l’eau. Cet effondrement hydrophobe est thermodynamiquement favorable car il libère les molécules d’eau des couches de solvatation ordonnées autour des surfaces hydrophobes, augmentant l’entropie. Le globule effondré subit ensuite des réarrangements structuraux pour former la structure native, avec la formation concomitante des structures secondaire et tertiaire.

Chaperonnes Moléculaires

Les chaperonnes moléculaires sont des protéines qui aident le repliement sans faire partie de la structure finale. Elles empêchent l’agrégation en se liant aux surfaces hydrophobes exposées des protéines non repliées ou partiellement repliées. Les chaperonnes ne contiennent pas d’information stérique pour le repliement mais empêchent les interactions inappropriées qui conduisent à un mauvais repliement.

Système Chaperonne Hsp70

La famille Hsp70 comprend la Hsc70 exprimée de façon constitutive et la Hsp70 induite par le stress. Hsp70 reconnaît les zones hydrophobes exposées sur les protéines non repliées par l’intermédiaire de son domaine C-terminal de liaison au substrat. La liaison et la libération sont régulées par l’hydrolyse de l’ATP dans le domaine N-terminal de liaison aux nucléotides. Les protéines J, comme Hsp40, stimulent l’hydrolyse de l’ATP et délivrent les substrats à Hsp70. Les facteurs d’échange de nucléotides tels que Bag-1 et HspBP1 facilitent la libération d’ADP et la reliaison de l’ATP.

Chaperonines

Les chaperonines sont de grands complexes en forme de baril qui fournissent une chambre isolée pour le repliement des protéines. Les chaperonines du groupe I chez les bactéries comprennent GroEL et son cofacteur GroES. GroEL forme un double anneau empilé de sept sous-unités chacun, créant une cavité centrale. La protéine non repliée se lie dans la cavité, GroES coiffe la chambre, et l’hydrolyse de l’ATP induit des changements conformationnels qui libèrent la protéine dans l’espace clos pour le repliement. Les chaperonines du groupe II chez les eucaryotes, appelées TRiC ou CCT, fonctionnent sans cofacteur séparé et aident le repliement des protéines du cytosquelette telles que l’actine et la tubuline.

Protéine Disulfure Isomérase

La protéine disulfure isomérase catalyse la formation et le réarrangement des ponts disulfure dans le réticulum endoplasmique. Elle contient des domaines de type thiorédoxine avec des résidus cystéine du site actif qui forment des ponts disulfure mixtes avec les protéines substrats. La PDI peut introduire, réduire ou isomériser les ponts disulfure, garantissant que l’appariement correct des résidus cystéine est réalisé pendant le repliement de la protéine. L’état redox du RE est maintenu par le tampon glutathion, avec un environnement oxydé qui favorise la formation de ponts disulfure.

Peptidyl-Prolyl Isomérases

Les peptidyl-prolyl isomérases accélèrent l’isomérisation cis-trans des liaisons peptidiques de la proline, qui est intrinsèquement lente et peut être limitante pour le repliement des protéines. Il existe trois familles : les cyclophilines, les protéines de liaison au FK506 et les parvulines. Les cyclophilines sont des cibles de l’immunosuppresseur cyclosporine A. Les PPI sont présentes dans tous les compartiments cellulaires et aident le repliement des protéines contenant des résidus proline. L’activité PPI est particulièrement importante pour le repliement du collagène, où les répétitions glycine-proline-hydroxyproline sont abondantes.

Mauvais Repliement et Maladies

Le mauvais repliement et l’agrégation des protéines sont associés à de nombreuses maladies. La maladie d’Alzheimer implique l’agrégation des peptides amyloïdes-bêta en plaques amyloïdes et de la protéine tau en enchevêtrements neurofibrillaires. La maladie de Parkinson présente une agrégation de l’alpha-synucléine en corps de Lewy. La maladie de Huntington résulte d’une expansion de polyglutamine dans la protéine huntingtine. Les maladies à prions impliquent la conversion de la protéine prion normale en une conformation anormale, sujette à l’agrégation et infectieuse. Dans toutes ces maladies, l’équilibre entre le repliement des protéines, l’assistance des chaperonnes et la dégradation est perturbé.