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L’interaction des différentes étapes de la biosynthèse des protéines, telles que la transcription, le traitement et la traduction de l’ARNm, ainsi que le repliement, la translocation et l’assemblage/désassemblage des protéines, détermine la charge de protéines métastables qui dépendent des machines de contrôle de la qualité des protéines cellulaires pour leur fonction1. L’absence ou le dysfonctionnement des machines de contrôle de la qualité des protéines peut donc entraîner le déclin fonctionnel de divers types de machineries cellulaires et l’apparition de maladies de mauvais repliement des protéines2-7. Lorsque la capacité des machines de repliement et d’élimination des protéines est équilibrée avec la charge de protéines métastables, l’homéostasie des protéines (protéostasie) est atteinte, un état qui empêche finalement l’accumulation de protéines mal repliées et l’agrégation au sein des cellules6. On pense que l’accumulation de protéines mal repliées est le signal qui active les facteurs de transcription induits par le stress, tels que le facteur de choc thermique (HSF-1), et entraîne l’activation des réponses de stress cytoprotectrices6,8.
Notre compréhension des fonctions des réseaux de protéostasie chez les métazoaires provient principalement d’études de reconstitution in vitro et d’observations faites avec des cellules de culture tissulaire et des organismes unicellulaires9. Par exemple, la recherche sur les chaperons moléculaires qui préviennent et résolvent les dommages aux protéines s’est concentrée sur les études biochimiques et biologiques cellulaires des mécanismes de repliement, de désagrégation et de translocation des protéines médiés par les chaperons10-13. En comparaison, on ne dispose que d’informations limitées sur la fonction intégrée des différents composants de la protéostasie dans les différentes cellules et tissus des métazoaires dans des conditions de croissance « normales » et en réponse au stress11. La découverte que chez C. elegans, le contrôle de la qualité des protéines cellulaires peut également être régulé de manière non autonome, comme en témoignent les expériences montrant que les mutations dans les deux neurones qui perçoivent la température peuvent bloquer l’activation de la réponse au choc thermique et réduire la thermotolérance, a démontré la nécessité d’étudier la régulation de la protéostasie dans les organismes multicellulaires14-17. Ce qui manque, cependant, c’est une image cohérente de la façon dont les réseaux de protéostasie, tels que les différentes familles de chaperons moléculaires, fonctionnent dans les tissus d’un métazoaire intact et de la dynamique de ces réseaux au cours du développement et du vieillissement. Pour atteindre cet objectif, des capteurs fiables pour surveiller le maintien du protéome chez les animaux vivants sont nécessaires pour déterminer la capacité protéostatique des différentes cellules d’un organisme multicellulaire au cours du développement et du vieillissement.
Pour qu’une protéine donnée fonctionne comme un capteur de protéostasie cellulaire, elle doit répondre aux changements de l’environnement de repliement cellulaire tout en interférant de manière minimale avec le repliement de protéines non apparentées dans la cellule. Pour explorer le maintien et la récupération de la protéostasie cellulaire dans un organisme vivant, deux approches complémentaires qui dépendent de capteurs repliables peuvent être adoptées. La première repose sur des capteurs de repliement conçus, basés sur des protéines métastables identifiées expérimentalement qui sont connues pour dépendre de la machinerie de la protéostasie, telles que la luciféraseluciférase 18-20 ou la GFP marquée d’un degron21-24. Dans la deuxième approche, les protéines métastables endogènes, telles que les protéines sensibles à la température ou les protéines d’agrégation dépendantes de l’âge qui répondent aux changements incrémentiels de l’environnement cellulaire, sont tracées25-27. Les capteurs à repliement conçus n’ont aucune fonction biologique essentielle, mais offrent l’avantage d’être détectables par des tests de rapport puissants, tels que les protéines marquées à la GFP, et peuvent être utilisés avec de nombreux modèles cellulaires et animauxdifférents18. Cependant, comme l’introduction d’une seule protéine étrangère peut affecter l’environnement de repliement27, ces polypeptides peuvent surcharger la machinerie de la protéostasie cellulaire. Alternativement, les capteurs de pliage conçus qui ne sont pas natifs de la cellule sur laquelle ils rapportent peuvent ne pas être affectés par les changements dans la capacité de protéostasie de la cellule. Par exemple, un substrat rapporteur de protéasome marqué à la GFP nécessitait que ~90 % du protéasome soit inhibé avant qu’un phénotype puisse être détecté23. En revanche, les protéines métastables endogènes qui s’appuient sur les machineries de protéostasie de la cellule offrent l’avantage d’être dans la plage de sensibilité cellulaire. Cependant, la perte de fonction associée au mauvais repliement de ces protéines peut également avoir un impact sur la fonction cellulaire et la viabilité de l’organisme. Ici, nous nous concentrerons sur l’utilisation de capteurs de repliement endogènes de C. elegans.
C. elegans est un modèle de métazoaires bien établi pour l’étude du développement et du vieillissement qui utilise de nombreuses voies biologiques conservées et peut être utilisé pour suivre le repliement des protéines dans la cellule, en utilisant une combinaison d’approches de biologie cellulaire, biochimiques et génétiques. Nous avons utilisé des protéines métastables comme sondes de la capacité protéostatique en surveillant les changements de phénotype, de localisation et de stabilité. De plus, une variété de fonctions protéiques peut être étudiée par une simple analyse comportementale. De même, une mauvaise localisation substantielle des protéines se produit lorsque les réseaux de contrôle de la qualité des protéines cellulaires ne parviennent pas à s’adapter aux demandes cellulaires. Les protéines peuvent être facilement visualisées dans les cellules d’animaux vivants à l’aide de protéines marquées par fluorescence ou via l’immunomarquage. Enfin, en utilisant des méthodes ex vivo, il est possible de suivre l’expression et la stabilité des protéines. Cela permet un dépistage rapide et simple des changements comportementaux et physiologiques, associé à une analyse approfondie de la localisation et de la stabilité des protéines, permettant le suivi des modificateurs de la protéostasie. En combinant ces différentes méthodes, il est possible d’obtenir une vue d’ensemble de l’environnement de repliement des protéines d’une cellule. En effet, cette stratégie a été utilisée avec succès pour surveiller la perturbation de la protéostasie chez C. elegans, la levure, la culture tissulaire et les bactéries15,25-35.