Les petites protéines G

Généralités

La super-famille des protéines Ras représente un des plus grands groupes de protéines et est retrouvée de la levure aux mammifères. Cette famille de protéines est très hétérogène et plus d’une centaine de protéines sont retrouvées chez l’Homme. Les protéines de la superfamille Ras sont des protéines monomériques ayant un poids moléculaire compris entre 20 et 40 KDa. Les membres de cette super-famille sont subdivisés en fonction de leur similarité de structure et de fonction en cinq familles : les familles Ras, Rho, Ran, Arf/Sar et Rab (Takai et al., 2001). Ces protéines agissent comme des interrupteurs moléculaires qui régulent une multitude de processus cellulaires fondamentaux. Elles jouent un rôle important dans la différenciation et prolifération cellulaire, la réorganisation du cytosquelette d’actine et le trafic vésiculaire (Wennerberg et al., 2005). Découvertes dans les années 1980, elles appartiennent à une classe de protéine appelée petite protéine G car elles sont capables de lier des nucléotides guanyliques. Elles cyclent entre un état dit inactif sous forme GDP et un état dit actif sous forme GTP. Bien qu’elles possèdent intrinsèquement des activités d’échange nucléotidique et, à l’exception des protéines Arf, d’hydrolyse du GTP, celles-ci restent trop faibles pour permettre aux protéines de cycler rapidement. Ces activités intrinsèques sont catalysées et régulées par des protéines GEF (Guanines nucléotides Exchanges Factor) et GAP (GTPase Activating Protein) (Bos et al., 2007; Cherfils and Zeghouf, 2013). Les protéines GEF permettent l’activation des petites protéines G en favorisant l’échange du GDP par du GTP. Les protéines GAP quant à elles catalysent l’hydrolyse du troisième phosphate du GTP ce qui entraîne le retour sous la forme GDP et l’inactivation des petites protéines G (Figure 21).Les petites protéines G cyclent entre un état inactif lié au GDP et un état actif lié au GTP. Leur activation est catalysée par un facteur d’échange (GEF) et leur retour à l’état inactif se fait par une hydrolyse du 3e phosphate du GTP catalysée par une protéine GAP. Sous leur état inactif certaines petites protéines G peuvent lier des protéines GDI qui inhibent leur échange nucléotidique. G GTP: petite protéine G liée au GTP G GDP: petite protéine G liée au GDP GAP: GTPase Activating Protein GDI: GDP Dissociation Inhibitor GEF: Guanines nucléotides Exchanges Factor

La famille Ras

La protéine Ras a été la première de la super-famille des petites protéines G à être identifiée. Sa découverte dans les années 1980 s’est faite par homologie avec le gène du sarcoma virus de rat. Cette famille est composée de 35 membres qui participent à différentes voies de signalisation telles que la prolifération, la morphologie cellulaire, l’apoptose, l’expression génique et la différenciation (Reuther and Der, 2000). De nombreuses études ont mis en évidence qu’en se liant et en activant un de ses effecteurs, la protéine kinase Raf, Ras est capable d’activer la cascade des MAPkinases (Mitogen-Activated Protein kinases) contrôlant ainsi la progression du cycle cellulaire, la différenciation et l’apoptose (Figure 22) (Samatar and Poulikakos). De plus, Ras, de par son action sur la PI3K, peut conduire à la stimulation d’Akt qui est impliqué dans la régulation du métabolisme, la prolifération et la motilité cellulaire (Karnoub and Weinberg, 2008). Certains membres de la famille Ras régulent également l’adhésion cellulaire et la synthèse protéique (respectivement les protéines Rap (Ras-related proteins) et Rheb (Ras homolog enriched in brain)). Les protéines de la famille Ras sont également connues pour leur propriété oncogénique. En effet, des études ont mis  en évidence la présence de mutations les rendant constutivement actives dans les gènes codant les protéines Ha-Ras, Ki-Ras et N-Ras dans 30% des cancers humains. Les protéines de la famille Ras sont activées par des facteurs d’échanges contenant un domaine Cdc25. Ce domaine est très conservé de la levure à l’humain et suffit pour l’activité catalytique (Cherfils and Zeghouf, 2013). 

La famille Rho

La famille Rho, pour Ras homologous, est composée de 22 membres chez les mammifères. Les Rho GTPases sont subdivisés en six grandes sous-familles en fonction de leur similarité de séquence en acides aminés. Ainsi, on retrouve les sous-familles Rho, Rac, Cdc42, RhoBTB, Rnd et Miro. Ces protéines sont impliquées principalement dans la mise en place de la polarité, la morphologie et la motilité de la cellule essentiellement par une régulation du cytosquelette d’actine (Jaffe and Hall, 2005; Pertz). Parmi les effecteurs des Rho activées, on retrouve des Ser/Thr kinases telles que ROCK (Rho-associated protein kinase) qui joue un rôle majeur dans la régulation du cytosquelette d’actomyosin (Julian and Olson). En phosphorylant la phosphatase MLCP (myosin light chain phosphatase), ROCK inhibe son activité et stabilise ainsi la forme phosphorylée de la chaine légère de la myosine qui est nécessaire pour l’interaction avec l’actine (Figure 23). Les protéines Rac et Cdc42 sont capables d’activer Pak (Szczepanowska, 2009) qui, en dehors de son rôle dans la dynamique du cytosquelette, est impliqué dans la survie cellulaire, la mitose et la transcription. Bien que la fonction des 3 principales protéines de la famille Rho (Rho, Rac et Cdc42) soit interconnectée, des études ont montré que Rho semble contrôler la formation des fibres de stress et des points focaux d’adhésion. En revanche Rac et Cdc42 joueraient plutôt un rôle dans les mouvements de la membrane cellulaire en induisant respectivement la formation de lamellipodes et de replis membranaires (ruffles) ainsi que de lamellipodes. Les Rho GTPases participent également à différents processus cellulaires tels que la transcription de certains gènes, le cycle cellulaire, l’activation de différentes enzymes comme la PI3K, mais également le transport vésiculaire (endocytose, sécretion et phagocytose). Des études ont également montré, par l’expression de formes dominantes négatives, qu’elles participaient à la transformation par l’oncogène Ras. Il a été mis en évidence une dérégulation de l’expression de certaines Rho-GTPases dans différentes tumeurs humaines. 

La famille Rab

La famille Rab (Ras-like protein in the brain) représente la famille de petites protéines G la plus vaste. Elle est présente chez tous les mammifères et comprend une soixantaine de membres chez l’humain. Les protéines de la famille Rab jouent un rôle dans les voies d’endocytose et de sécretion en régulant le transport vésiculaire ainsi que le trafic des protéines (Chavrier and Goud, 1999; Wandinger-Ness and Zerial). Elles sont présentes au niveau des vésicules d’endocytose et d’exocytose et servent d’étiquette aux différentes populations de vésicules (Figure 24). Sous leur forme activée, elles participent aux étapes d’initiation de formation de complexes protéiques qui vont permettre l’ancrage et la fusion 50 des vésicules au niveau du compartiment accepteur. Les protéines Rab1 et Rab5 participent à l’étape de fusion en régulant l’activation et le recrutement des protéines SNAREs (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor (NSF) Attachment protein REceptor). Les protéines de la famille Rab facilitent également la formation et le bourgeonnement des vésicules à partir du compartiment donneur ainsi que leur transport et adressage vers le compartiment accepteur (Lo et al.). La localisation à la membrane de ces protéines est dépendante de leur modification lipidique en C-terminal par prénylation (Chavrier et al., 1991). Deux études ont mis en évidence que les Rab-GEF sont en partie responsables de leur adressage au niveau de la membrane de compartiments spécifiques pour assurer leur rôle dans le transport vésiculaire. Des études ont mis en évidence l’implication de certaines protéines Rab dans des pathologies, notamment au niveau neurologique (maladie de Parkinson, maladie d’Huntington…) (Breda et al.; Li et al., 2009; MacLeod et al.) mais également dans des cancers.