Pr Jean Luc OLIVIER 2013-2014

1. Les complexes • des glucides avec les lipides (glycolipides) • des glucides avec les protéines • (glycoprotéines, glycosaminoglycanes) 2ème partie : les glycoprotéines Pr Jean Luc OLIVIER2013-2014

2. Plan du cours 1- Les glycolipides 1.1. structure générale 1.2. synthèse et dégradation 1.3. Fonctions physiologiques et implication en pathologie: exemples 2- Les glycoprotéines 2.1. structure générale 2.2. synthèse et dégradation 2.3. Fonctions physiologiques et implication en pathologie: exemples • 2.1. structure générale • O- et N-glycosylation • Les différentes chaînes osidiques • 2.2. synthèse et dégradation • Processus de glycosylation des protéines • Rôles du réticulum et du golgi • Dégradation des glycoprotéines, rôle des lysosomes • 2.3. Fonctions physiologiques et implication en pathologie 3- Les glycosaminoglycanes et protéoglycanes 3.1. structure générale 3.2. synthèse et dégradation 3.3. Fonctions physiologiques et implication en pathologie: exemples

3. Les glycoprotéines Structure générale: composition des chaines glucidiques Glycoprotéines = protéines avec chaînes osidiques Beaucoup de protéines sont des glycoprotéines Grande diversité: protéines solubles, protéines membranaires Fonctions très diverses: enzymes, hormones, protéines de transport, • Grande diversité des chaînes osidiques, 8 oses principalement représentés: • Galactose (Gal) • Glucose (Glc) • Mannose (Man) • Acide N-acétyl-neuraminique (sialique) (NeuAc) • Fucose (Fuc) • N-Acétylgalactosamine (GalNAc) • N-acétylglucosamine (GlcNAc) • Xylose (Xyl) A quoi servent ces chaînes osidiques ? Pourquoi sont elles très diverses?

4. -Asn-X-Ser/Thr Liaison N-glycosidique GlcNAc Les glycoprotéines Structure générale: N- et O- glycosylations Les chaînes glucidiques sont fixées aux protéines par l’intermédiaire des résidus Asparagine (liaison N-glycosidique) ou des résidus Ser et Thr (liaison O-glycosidique) -Ser ou Thr Liaison O-glycosidique GalNAc

5. Sia Sia Gal Gal Gal Man Man Man Man Man Man Man Man Man Man Man Man Man Man GlcNAc GlcNAc GlcNAc GlcNAc GlcNAc GlcNAc Man Man Man GlcNAc GlcNAc GlcNAc riches en mannose hybrides complexes Asn Asn Asn Les glycoprotéines Structure: les chaines N-glycosidiques Il y a 3 types de chaînes N-glycosidiques, avec un noyau constant Comment (et où) sont synthétisées/transférées ces chaines osidiques?

6. Galactose (anomère β) Gal β 1 ↓ 3 N-Acétylgalactosamine (anomère α) GalNAc Ser/Thr Les glycoprotéines Structure: les chaines O-glycosidiques Il y a aussi un noyau constant dans les chaînes O-osidiques (branchement sur Ser ou Thr) Galβ1,3GalNACαSer/Thr

7. Les glycoprotéines Synthèse: les chaines N-glycosidiques La N-glycosylation des protéines commence dans le réticulum endoplasmique pendant que la protéine est synthétisée N N ARNm 3’OH 5’P C Asn C N Asn Chaineosidique C Réticulumendoplasmique(rugueux) Cytosol

8. Les glycoprotéines Synthèse: les chaines N-glycosidiques La synthèse et le transfert des chaînes N-osidique se font grâce à un lipide: le dolichol Man=Mannose GlcNAc=N-acétyl glucosamine Motifisoprène Man 2 CH3 CH3 3HC Man Chaineosidique Groupepyrophosphate Dolichol et oseactivépar nucléotides H H H H H H H Man C = C–C–C–C=C–C–C–C–C–C–O–P–P–O–GlcNAc–GlcNAc–Man 2 H H H H H H H 3HC Lipide dérivé du cholestérol Répétition du motif isoprène) Man Glc 15-18 3 3 Une chaîne de composition toujours identique est synthétisée

9. Les glycoprotéines Synthèse: les chaines N-glycosidiques ARNm 3’OH 5’P La chaîne osidique comportant NAcGlc, Man et Glc est transféréed’un bloc du dolichol à l’asparagine de la protéine ARNm 3’OH N 5’P P P Asn N P P C Asn N-acétyl-glucosamine Réticulumendoplasmique(rugueux) Mannose C Glucose Cytosol Réticulum endoplasmique Site « consensus » Asn-X-Ser/ Thr , X≠ Pro, Asp, Glu

10. Les glycoprotéines Synthèse: les chaines N-glycosidiques Les étapes ultérieures Action de glycosidases pour enlever les glucoses et certains mannoses Action de glycosyl-transférases pour ajouter différents oses Formation des chaînes les plus complexes RESULTATS - Une protéine peut comporter plusieurs site de glycosylation (ser/ther ou Asn-X-Ser) avec des chaînes différentes - Un même site dans une protéine donnée peut porter des chaînes différentes dans différents types cellulaires ou dans un type cellulaire selon l’environnement de la cellule ou le moment

11. Réseau trans golgi: sulfatation Citerne médiane: Addition de GlcNAc Réseau cis Golgi (cis Golgi network): Phosphorylation des Mannoses Citerne cis et médiane: Enlèvement des Mannoses Les glycoprotéines Géographie intracellulaires de la synthèsedes chaines N-glycosidiques Les chaînes N- et O-osidiquessont synthétisées à partirde sucres complexés avec desnucléotidiques (UDP ou GDP) Citerne trans: addition de Gal et Sia

12. Galactose (anomère β) Gal β 1 ↓ 3 N-Acétylgalactosamine (anomère α) GalNAc Ser/Thr Les glycoprotéines Synthèse: les chaines O-glycosidiques Il y a aussi un noyau constant dans les chaînes O-osidiques (branchement sur Ser ou Thr) Galβ1,3GalNACαSer/Thr La O-glycosylation est plus simple et se déroule dans le Golgi

13. Les glycoprotéines Mécanisme de diversité et spécificitéde la synthèse des chaines osidiques Les chaînes osidiques des glycoprotéines et glycolipidesportent un message (une fonction) La diversité des fonctions et leur spécificitéest le produit de la diversité des chaines osidiques • Comment assurer diversité et spécificité? • Pas de matrice à copier (ADN, ARN) • La synthèse des chaînes osidiques est assurées par • des glycosyl-transférases • des glycosidases(quand certains oses sont enlevés)

14. Les glycoprotéines Mécanisme de diversité et spécificitéde la synthèse des chaines osidiques Une glycosyl transférase branche un ose donné sur un anomèreaccepteur donné avec un type de liaison donnée Mécanismes de spécificité des glycosyl transférases 1- Le niveau d’expression des glycosyl-transférases différent suivant le type cellulaire, Coordination possible du niveau d’expression d’une glycosyl- transférase avec son substrat 2- spécificité pour la protéine ou le peptide: seulement une minorité d’enzymes, reconnaissance du site de glycosylation sur la protéine 3- séquestration: la conformation de la protéine (et de la chaîne osidique acceptrice restreint l’accès de la chaîne à certaines transférases

15. Les glycoprotéines Exemple de l’hormone HCG etd’une glycosyl-transférase peptide-spécifique L’hormone chorio-gonadotrophique (HCG) intervient dans l’évolutionde la grossesse (détection de la grossesse) et comporte 2 chaînes α et βqui sont N-glycosylées N-acétylgalactosamine(β 1 → 4) N-Acétyl-Galactosamine transférasedes hormones glycoprotéiques H2N Pro-X-Arg/Lys Asn-X-Ser COOH 9 ac. am. Mutation desacides aminés Suppression de l’action de laNac-Gal transférase

16. Les glycoprotéines Dégradation des glycoprotéines: rôle des lysosomes Les lysosomes sont des organites de dégradation (pH intérieur acide) desmolécules ou complexes moléculaires à l’intérieur de la cellule. Ils sont formés à partir du golgi et contiennent les enzymes de dégradation(hydrolases) agissant à pH acide exocytose Les chaînes osidiques sont dégradées par des exo et endo-glycosidases.Les groupes sulfates sont éliminés par des sulfatases

17. Les glycoprotéines Fonctions physiologiques et implication en pathologie • Fonctions des chaînes osidiques des glycoprotéines: • Reconnaissances antigéniques • Reconnaissances cellules hôtes-agents infectieux • Reconnaissance intercellulaires • Reconnaissance récepteur-ligand • Modulation de l’activité enzymatique • La diversité des fonctions et leur spécificitéest le produit de la diversité des chaines osidiques

18. CH3 H O C C O HN H C OH OH H C C C HOCH2 H H OH H C C OH H Les glycoprotéines Fonctions physiologiques et implication en pathologie exemple des virus influenza (grippe) COO- Acide sialique ou N-acétyl neuraminique Une protéine d’enveloppe (hémagglutinine) des virus de la grippe reconnaît l’acide sialique des glycoprotéines de la cellule hôte (liaisons hydrogènes)

19. Les glycoprotéines Implication en pathologie : exemple des virus des grippes Les chaines glucidiques sont propres aux espèces:le changement d’affinité de l’hémagglutinine des virus influenza explique le passage d’une espèce à une autre N-acétyl-glucosamine Galactose ReconnaissanceHémagglutininevirus aviaire ReconnaissanceHémagglutininevirus humain α 2 → 3 α 2 → 6 Acide N-acétyl-neuraminique(sialique)

20. 22 21 20 23 18 27 12 17 24 25 11 16 13 C D 19 1 26 15 9 2 14 H 10 8 A B 3 5 7 4 6 C-O O = Fonctions physiologiques des glycoprotéines Régulations des activités enzymatiques, exemple de la LCAT Les hétéropolysaccharides conjugués aux protéines et lipides Rôle des chaînes osidiques: Exemple de la LCAT Phosphatidylcholines (lécithines) saturé CH2O- CO O CH CH2O-P O- insaturé O CH3 O - CH2 - CH2 - N+ CH3 CH3 CO - lysoPC = Albumine Foie sang : Lécithine Cholestérol Acyl-Transférase (LCAT) Cholestérol Non estérifié Cholestérol estérifié

21. ↓18% ↓62% ↓82% ↑200% Mutation Mutation Mutation Mutation 1 20 84 272 384 416 COOH H2N Fonctions physiologiques des glycoprotéines Régulations des activités enzymatiques, exemple de la LCAT 4 sites de N-glycosylation Glucides = 25% de la masse totale de l’enzyme Effets des chaînes glycosidiques sur l’activité enzymatique de la LCAT Mutation des 4 sites ↓90% (10% de l’activité initiale) Karmin O et coll. 1993 Biochem J, 294, 879-884

22. Les glycoprotéines Conclusions • Beaucoup de protéines sont des glycoprotéines • Il existe deux types de liaisons des chaînes glycosidiques aux protéines, les N- et O-glycosylations • Il existe une grande diversité des chaines osidiques des glycoprotéines mais il existe des « noyaux » constants • La diversité de fonctions biologiques reposent sur la diversité des chaines osidiques • La diversité et spécificité des chaines osidiques reposent sur le rôle des glycosyltransférases et glycosidases mais les mécanismes sont encore mal connus