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2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées Biochimie – UE VII: – Sciences biologiques Glyco-conjugués et pathologies associées Semaine : n°14 (du 05/12/16 au 09/12/16) Date : 07/12/2016 Heure : de 9h00 à 10h00 Binôme : n°60 Professeur : Pr. Briand Correcteur : n°65 Remarques du professeur • Diapos disponibles sur Moodle PLAN DU COURS I) Introduction II) Diversité des glycoconjugués III) Glycosylation des lipides IV) Quelques fonctions des glycosphingolipides V) Glycosylation des protéines A) Quelques fonctions associées à la glycosylation des protéines B) Principaux modes de glycosylation des protéines C) Diversité des N-glycanes VI) Diversité des oligosaccharides O-liés A) Mucines ( O-glycanes) B) Protéines O-glycosylées ( autres que mucines) VII) Protéoglycanes A) Analogie Héparane Sulfate / Héparine B) Quelques fonctions de protéoglycanes VII) Processus enzymatiques mutations = maladies VIII) Exemples de pathlogies 1/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées I) Introduction Les sucres sont des éléments structuraux qui entrent dans la composition de la famille des glycoconjugués qui , sont des assemblages de motifs glycaniques à des protéines, à des lipides et qui constituent une famille extrêmement vaste des composants de la MEC, des membranes des cellules que l’on trouve dans tous les règnes vivants ( règne eucaryote, des levures et champignons, jusqu’aux vertébrés). Ce cours a pour but de nous montrer la diversité de ces glycoconjugués. On a une très grande variété de glycoconjugués. Les structures qui sont composées d'un nombre limité d'unités d'oses (9 sucres différents) vont entrer dans la composition des glycoconjugués. II) Diversité des glycoconjugués La glycosylation est le processus global qui permet la formation de ces glycoconjugués. Elle fait intervenir une collection d'enzymes qui se trouvent dans les compartiments sécrétoires (appareil de golgi et RE) . Une collection limitée (1 à 2% du génome) est utilisée pour coder ces enzymes pour amener à la modification d'un grand nombre de protéines et de lipides que l'on trouve dans la membrane des cellules. Ceci une photo au ME de la surface d'une cellule de mammifère avec un glycocalyx qui est un manteau dense aux électrons que portent toutes les cellules. Il est constitué de glycoconjugués. La glycosylation amène à la formation de différents types de GC. Plusieurs grandes familles, de types de GC se forment dans l'organisme . Les GC qui sont composés de N-glycanes liés à l'asparagine de protéines se trouvent dans la plupart des protéines des membranes . On trouve des glycanes liés aux protéines au niveau d'un résidu serinethréonine, ce sont les O-lipide-glycanes qui présentent eux aussi une certaine diversité. Ce qui prédomine dans les GC sont les mucines qui sont secrétées, ils sont à la membrane des épithéliums et des cellules cancéreuses . On a aussi les protéoglycanes dont la partie glycanique est composée de glycosaminoglycane (GAG). Les GAG existent à l’état libre dans la cellule vivante (acide hyaluronique) et aussi sous la forme liée à une serine (donc appartenant à une protéine membranaire ou sécrétée). Les protéoglycanes sont des GC qui résultent de l'assemblage sur une protéine d'un nombre variable de GAG à liaison O-glycanique sur une serine essentiellement. On a une grande diversité de GAG. Les GAG principaux sont l'héparane sulfate et la chondroïtine sulfate. On trouve des GC qui résultent de la condensation de motif glycannique sur des lipides : famille des 2/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées glycosphyngolipides où le motif glycannique est de petite taille et lié à un céramide : phospholipide membranaire formé de sphingosine et d'un AG. Une autre famille de GC : protéine liée à la membrane par un ancrage de type GPI (glycosylphosphatidylinositol). Ce motif glycannique assure le lien entre la protéine et la membrane cellulaire. A côté de ces GC qui sont soit ancré à la membrane soit sécrétés (qui sont retrouvés dans les liquides extracellulaires comme le plasma ,liquides articulaires, le milieu interstitiel), un petit nombre de cas de glycosylation concernent des protéines cytosoliques et nucléaires, on parle de proglucosylation qui est une modification post-traductionnelle et qui touche des facteurs de transcription, des récepteurs nucléaires, des ADN polymérases et qui consiste en l'ajout d'un motif unique GlcNAc (N-acetyl glucosamine sur un sucre habituellement phosphorylé). Il intervient une modification posttraductionnelle réversible qui met en jeu des enzymes (O-GlcNAcyl transferase et les O-GlcNAcase qui permettent l'ajout et le retrait de ce motif O-GlcNAc aux protéines du cytosol et du noyau ). Hormis ce cas particulier de la glycosylation des proteines cytosoliques et nucléaires, la glycosylation en générale concerne des protéines qui sont à la membrane et qui sont sécrétées . Ces motifs glycaniques vont jouer des rôles importants dans le caractère antigénique des cellules, dans les processus de signalisation, d'adhérence cellulaire (lectine) et dans la motilité des cellules (diapédèse / rolling). III) Glycosylation des lipides La glycosylation des lipides est un processus qui se déroule dans le Golgi et qui amène à la formation des gangliosides. C'est un processus qui consiste en la glycosylation du céramide (lipide membranaire) qui est glycosylé par un petit nombre de motifs glycanique (6 oses) pour former des cérebrosides ou des globosides (nombre important de motif osidique). Les cérébrosides et globosides jouent un rôle particulièrement important dans la peau pour assurer son imperméabilité. On en trouve aussi dans le système nerveux. On parle aussi de cérébrosides lorsqu'ils ont en plus un résidu osidique acide particulier qui est l'acide sialique ( motif osidique acide qui donne aux GC le caractère acide chargé négativement à la surface des cellules). Les gangliosides sont abondants dans le système nerveux central c'est une grande famille de GC lipidiques ( glycosphingolipides) . IV) Quelques fonctions des glycosphingolipides Constituant des membranes cellulaires (feuillet exoplasmique). Association avec le cholesterol dans les rafts (radeau lipidique). Ce sont des motifs antigéniques des surfaces cellulaires (ABO). Ils sont la cible de vaccination due au fait qu'ils soient antigéniques. Ils jouent un rôle aussi dans certains cancers. Ce sont des constituants des gaines de myéline et participent donc à la conductance électrique. 3/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées V) Glycosylation des protéines Il y a deux grandes catégories de GC protéiques : les glycoprotéines et mucines d'une part et les protéoglycanes d'autre part. Les glycoprotéines et mucines résultent d'association sur une protéine d'une chaine oligosaccharidique, parfois plusieurs. Ce sont des chaines relativement courtes par rapport aux protéoglycanes. Ce sont des structures souvent branchées. Et c'est la marque de presque toutes les protéines membranaires, mais aussi des protéines du lysosome, RE, golgi, organites intracellulaires du compartiments sécrétoires. Ce sont aussi des constituants des milieux extracellulaires. Les protéoglycanes sont aussi des GC protéiques. Les motifs glycaniques (GAG) sont des chaines très longues (100 de motifs glycaniques), linéaires et fortement chargées négativement (présence de sulfates et de molécule d'acide uronique). Les protéoglycanes sont des constituants majeurs des MEC des os, tissus conjonctifs, cartilages, cornée et liquides articulaires. A) Quelques fonctions associées à la glycosylation des protéines La glycosylation des protéines participe à la maturation, solubilité et recyclage des protéines. C'est un processus qui participe aussi au trafic des protéines. Il permet aussi l'adressage aux compartiments (organites, membranes, sécrétion). Les GC participent à la signalisation cellulaire car les protéoglycanes jouent le rôle de co-récepteur pour des facteurs de croissance sécrétés par des cellules cancéreuses. Les GC ont un rôle dans les interaction / trafic cellulaire. Les lectines reconnaissent les motifs glycaniques. Ce sont des protéines exprimées par les cellules de l'endothélium vasculaire (E-sélectine), les leucocytes (L-sélectine) et les plaquettes (P-sélectine). Ces protéines ont la capacité de reconnaître des motifs glycaniques exprimés par l'homme aux partenaires cellulaires (glycoprotéines membranaires, mucines...) Les lectines sont donc importantes dans les phénomènes inflammatoires et aussi cancéreux. 4/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées B) Principaux modes de glycosylation des protéines • N-linked glycosylation : la chaîne glycanique est liée à un résidu Asparagine de la protéine. Processus initié dans le RE de toutes les cellules. – Protéines lysosomales, membranaires, secrétées • O-linked glycosylation : un oligosaccharide est lié à l’hydroxyl d’un résidu Ser ou Thr d'une protéine. Processus initié dans le Golgi. – Mucines ++ , protéoglycanes, (autres protéines membranaires et secrétées) • GPI-linked (Glypiation) : une chaîne oligosaccharidique lie un phospholipide à une protéine (ancrage GPI). C) Diversités des N-glycanes On rencontre des N-glycanes très diverses avec certains riches en mannose. Ils sont complexes et ont des formes diverses mais ils ont tous en commun un motif à 5 résidus osidiques formés de N-acétyl glucosamine et de 3 mannoses. Ils sont liés par leurs extrémités réductrices à une asparagine. Et selon la composition de leurs extrémités non réductrices (au niveau des antennes), on parlera de N-glycane riche en mannoses quand les 2 antennes ont un mannose supplémentaire, hybrides quand une des antennes a un mannose supplémentaire ou motifs complexes quand aucune des antennes sera formée de mannose supplémentaire mais sera formée d'un motif lactose. La caractéristique aussi des N-glycanes est la présence d'acides sialiques pour les N-glycane complexe et la présence d'oses neutres supplémentaires comme le fucose. Cette diversité des glycanes s'explique par le mode d'élaboration (dans le golgi et RE) et c'est un processus qui fonctionne selon un mode séquentiel ordonné en effet il y a des enzymes qui interviennent, elles sont de 2 types : des glycosyl transferase qui élaborent le motif glycanique, permettent sa croissance, transfèrent des motifs glycaniques un par un et les glycosidases qui vont détacher les glycanes un pas un. 5/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées La diversité des glycanes provient du fait que selon le type cellulaire, les enzymes ne s'expriment pas de la même manière et du fait de la différence d'accessibilité du glycane au sein de la protéine. La N-glycosylation démarre par la synthèse d'un oligosaccharide précurseur dans la membrane du RE. Et au moment de la traduction de la protéine il y a un phénomène de transfert en bloc de ce motif glycannique sur la protéine. Ensuite il y aura un ensemble de réactions, tout au long de la protéine vers la membrane, qui font intervenir différentes enzymes et qui vont éroder les glycanes un part un et ajouter des motifs glycaniques. La complexité des glycanes N-liés va de pair avec l'évolution de l'organisme considéré. La complexité s'est accru avec l'évolution avec une diminution de glycane riche en mannose et une augmentation des motifs plus complexe (différente chez les champignons et levure qui ont des glycanes riches en mannose). Et cela explique la capacité qu'a le système immunitaire à reconnaître des organismes inférieurs dans l'organisme (champignons / levures) car il présente à leur surface des motifs riches en mannose. VI) Diversité des oligosaccharides O-liés Ils prennent vie dans les leucines mais on trouve également des motifs O-glycaniques sur des protéines sécrétées (immunoglobuline ). Leur élaboration a lieu sur un mode distinct des N-glycanes car il a lieu après la synthèse de la protéine. C'est au sein du golgi qu'on lieu les étapes d'addition successives des différents motifs glycaniques qui vont composer le motif glycanique O-liés sur les protéines. Et c'est un processus qui sera poursuivi par l'action d'oligosaccharides transférases qui sont sécrétées par les cellules. A) Mucines ( O-glycanes ) Ce sont des protéines sécrétées ou également attachées à la membrane pour d'autres d'entre elles , elles sont riches en sérine, en thréonine et proline. Ces protéines sont hautement glycosylées (petit motif glycanique associé aux sérines ou aux thréonines). Elles sont linéaires et de petite taille. Elles sont sécrétées de la surface des cellules épithéliales (paroi de l'estomac). Elles sont très hydrophiles (présence de charges négatives), et très résistante aux enzymes et à l'acidité. Ce sont des molécules qui tapissent la paroi des cavités et les protègent de l'action des enzymes et de l'acidité. 6/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées B) Protéines O-glycosylées ( autres que mucines) VII) Protéoglycanes C'est l'autre grande famille de GC, c'est l'assemblage par une liaison O-glycanique à une protéine d'un grand nombre de GAG ( molécule linéaire de très grande taille ). C'est la répétition n fois d'un disaccharide qui est formé de l'acide uronique et d'une hexosamine. Les chaines sont longues et sulfatées. 7/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées L'acide hyaluronique est un GAG particulier qui se distingue des 4 autres car il existe sous forme libre. A) Analogie Héparane Sulfate / Héparine Héparine : structures osidiques (constitués d'acide uronique et de glycosamine), elles sont sulfatées mais ont à la différence des héparanes sulfates, des motifs qui sont inférieurs à 50 résidus osidiques. Elles sont sécrétées par des mastocytes, et elle n'entrent pas dans la composition des protéoglycanes. Elles ont un rôle dans la liaison à des facteurs de coagulation, de croissance. B) Quelques fonctions de protéoglycanes C'est une famille de plus de 20 protéines dans la matière vivante. Ce sont des composants des MEC et du fait de leur caractère poly-anionique, ils ont un rôle de lubrifiant dans les liquides articulaires, dans les propriétés du résilient du cartilage et de filtres sélectif dans la lame basale. Au sein des MEC et des cartilages, toutes ces molécules de protéoglycanes peuvent s'associer à l'acide hyaluronique de façon non covalente, cela forme des macros-complexes. 8/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées HABR : motif de liaison à l'acide hyaluronique (à l'extrémité N-terminale). Arthrose : maladie des protéoglycanes et donc du cartilage. La glycosylation et le recyclage des GC s'appuient sur des enzymes (1 à 2% du génome codent pour des enzymes qui contrôlent le processus d'élaboration et de recyclage des GC) Processus de Synthèse: • s'appuie sur des colections de Glycosyl transférases / glycosidases et d'autres enzymes de maturation ex: fucosyl-, sialyl-transférases, sulfo transférases, épimérases Recyclage: • Processus lysosomal → fait interveir des lysosomes pour la dégradation des GC • glycosydases spécifiques (action séquentielle) • Très importante collection d’enzymes : plus de 200 gènes qui codent pour les enzymes qui interviennent dans ce processus. VII) Processus enzymatiques mutations = maladies Exemples de pathologies : 1) Congenital Disorders of Glycosylation (CDG) • Maladies génétiques à transmission autosomique récessive (>15 maladies – maladie extrêmement rare ) • Affectent généralement le système nerveux central +/- retard développement psychomoteur +/- atteinte viscérale • CDG de type 1 : mutation de gènes de la synthèse de l’oligosaccharide précurseur lié au dolichol et son transfert sur la protéine • CDG de type 2 : mutation de gènes de la maturation du glycane N-lié • Exemple : CDG 1a : ~350 cas, ~50 familles en France. Absence partielle à totale de chaînes Nglycaniques des protéines plasmatiques. => infections sévères, insuffisance hépato-cardiaque, troubles de la coagulations & thromboses 9/10 2016-2017 Glyco-conjugués et pathologies associées 2) Mucopolysaccharidose Famille de maladies (6 grands types de maladies) qui sont causées par une mutation qui touche une enzyme du recyclage (catabolisme lysosomal) des GAG, elle appartient a la famille des maladies de surcharge lysosomales, dans lesquels du fait de la mutation d'un gène codant une enzyme lysosomale qui normalement participe à la dégradation du GAG, (keratane sulfate / héparane sulfate / chondroitine sulfate ) va amener à l’accumulation dans les lysosomes des cellules de ces produits non dégradés et à des troubles qui touchent les organes (squelette ou SNC), ce sont donc des maladies graves et rares. 3 ) Gangliosidoses Ce sont des maladies de surcharge lysosomales. Les maladies de Tay-Sachs , maladie de Gaucher résultent de mutations dans les enzymes du catabolisme des gangliosides. Ce catabolisme fait intervenir des enzymes qui agissent chacune leur tour de façon séquentielle. Quand une enzyme (lors de la maladie de Tay-Sachs par exemple) est absente, les étapes de dégradations qui concernent cette enzyme et ceux qui suivent n'ont pas lieu, on aura une accumulation dans les lysosomes des cellules de ces gangliosides non dégradés. On voit apparaître des troubles qui touchent les viscères /organes (cerveau , les reins), ce sont des troubles majeurs. Résumé • La glycosylation est un processus majeur touchant de nombreuses protéines et lipides • Grande diversité de liens et de motifs glycaniques • Fonctions nombreuses : stabilité, adressage, reconnaissances... • Le RE et le Golgi ont un rôle majeur dans la biosynthèse des glycoconjugués • Leur catabolisme se déroule dans les lysosomes • Elaboration et Recyclage des glycoconjugués mettent en jeu des oligo-saccharyl transférases et glycosidases spécifiques, agissant de façon séquentielle. • Des défauts de la biosynthèse et du catabolisme des glycoconjugués constituent la cause de troubles sévères. 10/10
