Protéines de choc thermique (HSP ou Heat-Shock Protein)
HSC70/HSPA8

Vue d'ensemble de Hsc70/HSPA8

HSC70/HSPA8 (70 kDa) est une protéine appartenant à la famille (HSPA8/HSC70 chaperone protein 2013) dont les membres sont :

1. des protéines de choc thermique ou protéines de stress (HSP ou Heat-Shock Protein), et en particulier des Hsp70 ou DnaK, i.e. protéines produites par les cellules en réponse à un stress :

• lors de leur découverte, à la dénaturation thermique, d'où leur nom,
• mais aussi au froid, aux UV ou pendant la cicatrisation des plaies ou le remodelage des tissus.

2. des protéines chaperons, i.e. protéines associées à la protection, au maintien et à la régulation des fonctions des protéines auxquelles elles sont associées.

Il existe d'autres protéines chaperons qui ne sont pas des protéines de choc thermique.

3. Hsc70/HSPA8 avec ses co-chaperons et ses chaperons constitue un réseau complexe et est associé à de nombreuses fonctions décisives pour la survie cellulaire, notamment le repliement des protéines et la dégradation des protéines, i.e.

• régulateur de protéines, repliement, maturation, translocation, assemblage, démontage, agrégation, présentation et différenciation de l'antigène (réticulum endoplasmique et réponse UPR),
• acteur de l'autophagie, CASA, autophagie médiée par des protéines chaperonnes (CMA) et microautophagie,
• acteur du système ubiquitine-protéasome (UPS),
• déshabillage des puits de clathrine, pas sa liaison avec le motif QLMLT des chaînes lourdes de clathrine.
• régulation de la réplication du virus (à la fois positif et négatif).

Structure de Hsc70

Hsc70 facilite le pliage des protéines pour les protéger, en cachant les acides aminés hydrophobes souvent impliqués dans les agrégations des protéines.

Hsc70 est constitué de trois domaines.

1. Le domaine N-terminal (NBD : Nucleotide Binding Domain 44kDa) est un domaine ATPase, constitué de 4 sous-domaines (IA, IB, IIA et IIB), divisé en deux lobes séparés par une profonde fente nucléotidique (comme dans toutes les ATPases).

L'hydrolyse de l'ATP en ADP et Pi conduit à des changements conformationnels des autres domaines.

2. Un lien (linker) est présent entre les deux domaines.

3. Le domaine de fixation au substrat (SBD : Substrate Binding Domain 24 kDa) est composé par :

a. un sous-domaine en feuillet β (β sheet), formant classiquement un tonneau β (beta barrel) qui entoure le substrat concerné, et un sous-domaine hélicoïdal α.

SBD contient une fente qui peut accueillir des peptides de 5-7 acides aminés, en général hydrophobes, avec une préférence particulière pour la séquence FYQLALT.

b. un sous-domaine C-terminal, domaine constitué de plusieurs hélices α, qui stabilise la structure interne et agit comme un " couvercle " pour maintenir le substrat dans le tonneau.

4. HSc70 doit se fixer au motif QLMLT des chaînes lourdes de clathrine.

Les domaines C-terminaux des triskélions forment une cavité en forme d'entonnoir contenant un motif QLMLT (résidus 1638–1642 chez les mammifères) qui permet une liaison optimale au SBD ( Substrate Binding Domain) de la protéine Hsc70 (A Motif in the Clathrin Heavy Chain Required for the Hsc70/Auxilin Uncoating Reaction 2007 et The structures of natively assembled clathrin-coated vesicles 2020).

Mécanisme de chaperon

1. Le domaine de connexion entre le NBD (Nucleotide Binding Domain) et le SBD (Substrate Binding Domain) est une hélice flexible qui permet le déplacement des deux domaines de 35° l'un par rapport à l'autre et favorise leur rapprochement.

a. Bien que les fonctions de liaison du NBD et du SBD soient séparables, l'activité de chaperon Hsp70 dépend strictement du couplage serré de ces deux domaines par la liaison de l'ATP, ce qui conduit à la modulation de leurs activités (Hsp70 chaperone dynamics and molecular mechanism 2013).

• 

  L'ATP réduit considérablement l'affinité des peptides pour les substrats peptidiques en accélérant à la fois les taux de libération et de liaison.
• Dans le même temps, la liaison du peptide stimule la vitesse d'hydrolyse de l'ATP.

b. Grâce à ce couplage, l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP est efficacement utilisée pour la régulation de la liaison et de la libération du peptide du substrat, i.e. le chaperon est efficace.

2. La fonction de chaperon de Hsp70 est corrélée à la transition entre les conformations ouvertes et fermées du SBD, régulée par le mécanisme allostérique de rapprochement avec le NBD en liaison avec le cycle ATPasique (Solution conformation of wild-type E. coli Hsp70 (DnaK) chaperone complexed with ADP and substrate 2009).

Mécanisme général

1. Quand l'Hsc70 est couplé à l'ADP, il est en équilibre entre la conformation fermée et une conformation ouverte très transitoire.

2. Les facteurs d'échange de nucléotides (NEF) catalysent la dissociation de l'ADP, et la liaison de l'ATP à Hsc70 provoque :

• a. la rotation des lobes NBD l'un vers l'autre,
• b. l'ouverture de la fente inférieure du NBD,

• 

  c. l'insertion du lien interdomaine et l'ancrage de SBDβ au NBD, entraînant
• d. l'ouverture du couvercle α-hélicoïdal (SBDα),
• e. la libération du substrat.

3. Quand l'Hsc70 est couplé à l'ATP, il est en équilibre entre la conformation fermée et une conformation ouverte très transitoire.

Les boucles externes du SBDβ sont très dynamiques.

4. Les substrats s'associent aux protéines à domaine J (JDP), comme l'auxiline/GAK, et se lient à la conformation ouverte de Hsp70 (Structure of clathrin coat with bound Hsc70 and auxilin: mechanism of Hsc70‐facilitated disassembly 2009).

5. La liaison du substrat induit la fermeture du SBDα et la dissociation du SBDβ du NBD, ce qui permet la rotation des lobes NBD pour une hydrolyse optimale de l'ATP.

• Les substrats stimulent l'hydrolyse de l'ATP à travers une voie distincte impliquant un déclenchement sur le NBD.
• La façon dont les JDP agissent en synergie avec les substrats est encore actuellement obscure, bien que des avancées récentes aient permis de soulever certains voiles (Molecular Mechanism of J-Domain-Triggered ATP Hydrolysis by Hsp70 Chaperones 2018).

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