Les protéines G hétérotrimériques permettent de transmettre les signaux extérieurs reçus par les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) vers l’intérieur de la cellule. Les protéines G sont formées de trois sous-unités : Gα, Gβ et Gγ. Les protéines G hétérotrimériques sont parties prenantes de nombreux processus biologiques, en particulier la prolifération cellulaire, l’apoptose ou la chimiotaxie. Selon le mécanisme classique, l’interaction d’un ligand avec un RCPG crée un changement conformationnel du récepteur qui permet l’activation de la protéine G hétérotrimérique. Cette activation se traduit par l’échange de la molécule de GDP liant la sous-unité Gα contre une molécule de GTP. Puisque l’affinité de la forme Gα-GTP pour le dimère Gβγ est moindre que pour la forme Gα-GDP, l’activation de la protéine G occasionne la dissociation des sous-unités Gα et Gβγ. La sous-unité Gα peut alors interagir avec ses effecteurs propres afin de réguler leur activité. Le dimère Gβγ possède également des effecteurs particuliers qui sont régulés lors de l’activation de la protéine G. Par exemple, les sous-unités Gβγ ralentissent le rythme cardiaque via leur association avec les canaux potassiques à rectification entrante Kir3.1/Kir3.4. Elles augmentent la production de l’acide arachidonique via la phospholipase 2 et agissent en synergie avec la sous-unité Gα afin de favoriser la production d’AMP cyclique par l’intermédiaire de l’adénylate cyclase II. À ce jour, 15 sous-unités Gα, 5 sous-unités Gβ et 11 sous-unités Gγ ont été identifiées chez l’humain [ 1]. Certaines sous-unités ne sont détectées que dans des types cellulaires spécifiques, tel est le cas de la sous-unité Gαt localisée uniquement dans les cellules du système visuel. D’autres, au contraire, semblent s’accommoder de tous les types cellulaires. Théoriquement, plus de 800 combinaisons de protéines G hétérotrimériques différentes pourraient exister, cependant leur association est limitée à cause notamment d’une distribution cellulaire et tissulaire spécifique, tel que nous l’avons mentionné précédemment. Au-delà de cette singularité tissulaire, les mécanismes de la sélectivité d’assemblage des diverses sous-unités qui contribuent à former de façon spécifique certains hétérotrimères ne sont pas encore connus. La plupart des sous-unités de Gβ et de Gγ peuvent former un dimère in vitro, néanmoins quelques exceptions ont été rapportées. Par exemple, la sous-unité Gβ₁ peut interagir avec les sous-unités Gγ₁ et Gγ₂ mais la sous-unité Gβ₂, elle, ne peut s’associer qu’à la sous-unité Gγ₂ [ 2]. Les mécanismes fondamentaux du repliement initial de chaque sous-unité, tout comme ceux régulant leur association en une protéine hétérotrimérique fonctionnelle, ne sont pas encore très bien élucidés. Cet article offre une synthèse des plus récentes percées sur le sujet.

Bien qu’il soit formé de deux polypeptides, le dimère Gβγ exerce son action comme s’il n’était composé que d’une seule protéine. En effet, une fois assemblées, les sous-unités Gβ et Gγ sont physiologiquement liées ; elles ne se sépareront que sous l’effet d’agents dénaturants [ 3]. Cependant, chacun des deux polypeptides est synthétisé séparément, et ils ne semblent pas pouvoir s’associer spontanément de façon efficace. Ce constat suggère que l’intervention de protéines accessoires est nécessaire lors de ce processus. À ce jour, les événements menant à la formation de ce dimère, c’est-à-dire les mécanismes permettant l’interaction initiale des deux polypeptides Gβ et Gγ et contrôlant la spécificité de combinaison de sous-unités, doivent être clarifiés.

Les études d’association des sous-unités Gβγ ont d’abord été réalisées dans des systèmes de production de protéines in vitro, tels que les réticulocytes de lapins ou les extraits de germe de blé, qui peuvent assurer la production de protéines en fournissant la machinerie cellulaire eucaryote nécessaire à leur synthèse. Ces études ont démontré qu’il est possible de synthétiser les dimères Gβ₁γ₁ et Gβ₁γ₂ in vitro à partir de lysats de réticulocytes de lapins, mais que seulement 30 à 50 % des sous-unités synthétisées formeront un dimère fonctionnel [ 4]. Cependant, lorsque la sous-unité Gβ est synthétisée à partir d’extraits de germe de blé, avec le même rendement que dans les réticulocytes de lapins, elle n’a pas la capacité de s’associer à la sous-unité Gγ afin de former un dimère Gβγ [ 5]. Ces résultats suggèrent que les réticulocytes de lapins possèdent des facteurs propres aux mammifères qui sont absents des extraits de germe de blé. Ces facteurs, probablement des chaperonnes moléculaires, semblent être importants pour le repliement de la sous-unité Gβ ou son association avec la sous-unité Gγ. Les sous-unités Gγ, quant à elles, peuvent être synthétisées dans les lysats de réticulocytes de lapins, les extraits de germe de blé ou les bactéries et former un dimère avec les Gβ synthétisés dans les lysats de réticulocytes de lapins. Ces résultats peuvent suggérer que des protéines chaperonnes sont indispensables pour le repliement des sous-unités Gβ et/ou l’assemblage subséquent du dimère Gβγ [5].

Le repliement et l’assemblage des protéines dans la cellule requièrent généralement l’assistance d’un groupe de protéines appelées les chaperonnes moléculaires. Ces protéines possèdent plusieurs fonctions telles que la reconnaissance des protéines non repliées (assistance aux protéines nouvellement synthétisées dans leur processus de repliement), partiellement repliées (la stabilisation des structures intermédiaires) ou mal repliées. Les chaperonnes moléculaires les plus répandues dans le cytoplasme des eucaryotes sont Hsp70 (heat shock protein 70), TRiC/CCT (TCP1-ring complex or chaperonin containing TCP1) et Hsp90. Certes plusieurs protéines chaperonnes, en particulier Bip et calnexine, supervisent le repliement des protéines dans la lumière du réticulum endoplasmique. Chacune de ces protéines est essentielle à la viabilité des organismes, ce qui suggère qu’elles possèdent toutes des fonctions bien distinctes [ 6, 7]. Ces chaperonnes sont dites générales car elles sont en quantité très abondante dans les cellules et activent la catalyse du repliement des protéines nouvellement synthétisées. En outre, elles partagent la propriété de reconnaître des séquences d’acides aminés - c’est leur fonction principale - plutôt qu’une protéine précise. Un des premiers indices évoquant l’action d’une chaperonne générale lors du repliement et de l’assemblage du dimère Gβγ provient des études sur la protéine de choc thermique de 90 kDa : Hsp90. La protéine Hsp90 interagit de préférence avec la sous-unité Gβ libre plutôt qu’avec la forme dimérique Gβγ [ 8], cette propriété suggère qu’elle jouerait un rôle dans le repliement de la sous-unité Gβ ou lors de l’assemblage du dimère Gβγ. Aux chaperonnes générales s’ajoutent des protéines chaperonnes spécifiques qui, elles aussi, participent au repliement et/ou à la formation de complexes de protéines particulières. Récemment, des protéines chaperonnes spécifiques engagées dans le repliement des sous-unités de l’hétérotrimère Gαβγ ont été détectées.

Le complexe cytosolique de la chaperonine (chaperone-containing T-complex polypeptide 1 : CCT) est essentiel pour le repliement des protéines synthétisées dans le cytosol des cellules eucaryotes [ 9]. Les polypeptides nouvellement formés s’associent avec la structure en forme de bague du CCT et cette interaction diminue les niveaux d’énergie d’activation requis pour former la structure tridimensionnelle des protéines naissantes [ 10]. Les sous-unités Gα et Gβ, ainsi que plusieurs protéines comprenant une région WD40 en feuillet β (β-propeller WD40) [ 11– 13] sont des substrats connus du complexe CCT. Une étude a montré que des sous-unités Gβ synthétisées dans des réticulocytes de lapins peuvent être immunoprécipitées avec le CCT. Le complexe CCT possède une activité ATPasique directement liée à son rôle de facilitation du repliement des protéines. Ainsi, l’inhibition de cette activité ATPasique diminue grandement la quantité de dimère Gβγ produit, suggérant un rôle actif du CCT dans le repliement de la sous-unité Gβ et la formation du dimère [ 14].

La découverte de la protéine phosducine dans les cellules photoréceptrices de la rétine, et, par la suite, la détection des protéines PhLP (phosducin-like proteins) ont permis de mettre en évidence l’existence d’une famille de protéines cytosoliques régulant la fonction des protéines G. Cette famille comporte au moins 33 gènes répartis dans de nombreux organismes. Cinq d’entre eux ont été repérés chez l’humain, ils peuvent être divisés en trois classes : phosducine-I, phosducine-II et phosducine-III [ 15]. Les premières études sur le rôle des protéines phosducines leur ont attribué des fonctions d’inhibiteurs de la signalisation déclenchée ou provoquée par les protéines G. Le mécanisme élaboré suggérait qu’en séquestrant le dimère Gβγ, les phosducines empêchent l’interaction avec la sous-unité Gα et ses effecteurs [ 16, 17]. D’autres études, cependant, suggèrent un rôle différent pour certains membres de la famille des phosducines. Une équipe de recherche a observé récemment que la protéine PhLP1 (phosducin-like protein 1) peut interagir avec le complexe CCT, sans toutefois être un substrat du CCT puisqu’elle est déjà sous sa forme fonctionnelle lorsqu’elle interagit avec celui-ci. On lui attribuerait plutôt un rôle de cochaperonne, agent nécessaire dans le processus de repliement de certaines protéines dépendantes du CCT [ 18]. Étant donné le rôle du CCT dans le repliement de Gβ [17], PhLP pourrait agir comme cochaperonne facilitant le repliement de la sous-unité Gβ jusqu’à sa conformation finale. Cette hypothèse est soutenue par des observations faites chez Dictyostelium discoideum [ 19]. Dans ces cellules, la suppression de la protéine PhLP1 empêche la co-immunoprécipition des sous-unités Gβ et Gγ sous la forme d’un dimère. De plus, dans ces mêmes cellules, la sous-unité Gγ n’est pas modifiée par l’ajout d’un lipide, étape première des modifications post-traductionnelles subies par le dimère Gβγ suivant son assemblage. Dans les cellules de type sauvage, les sous-unités Gβ et Gγ se retrouvent principalement ancrées à la membrane plasmique, tandis que dans les cellules où la protéine PhLP1 a été supprimée, les sous-unités Gβ et Gγ sont principalement cytoplasmiques [15]. Il est possible de détecter les formes monomériques de Gβ et de Gγ dans les cellules supprimant PhLP1, mais la forme dimérique en est absente. Cela suggère donc un rôle important pour PhLP1 lors de l’assemblage du dimère.

À la suite des étapes de repliement de la sous-unité Gβ, celle-ci doit s’associer à la sous-unité Gγ pour former un complexe fonctionnel. Afin de procéder à l’assemblage du dimère Gβγ, la protéine PhLP1 doit être phosphorylée par la protéine kinase CK2 (casein kinase 2). La phosphorylation par CK2 déstabilise le complexe ternaire PhLP1/Gβ/CCT et provoque la relâche de la sous-unité Gβ par le CCT, permettant, de ce fait, l’association avec Gγ, créant un complexe intermédiaire PhLP1/Gβ₁/Gγ₂ [ 20, 21]. Le mécanisme provoquant la relâche de la sous-unité Gβ associerait la répulsion stérique entre les phosphates de PhLP1 et les résidus chargés négativement dans le domaine apical de CCT. Cette répulsion cause la dissociation de l’intermédiaire PhLP1 phosphorylé/Gβ qui pourra s’associer éventuellement à la sous-unité Gγ.

Contrairement à ce qui est observé pour Gβ, les sous-unités Gγ seules n’interagissent pas avec le CCT [14]. Toutefois, nous avons récemment détecté une autre chaperonne pour la sous-unité Gγ : la protéine de 78 kDa interagissant avec le récepteur à la dopamine (DRiP78 pour dopamine receptor-interacting protein 78). DRiP78 est une protéine membranaire du réticulum endoplasmique appartenant à la même famille que les co-chaperonnes Hsp40 (la famille des protéines DnaJ). La protéine DRiP78 est connue pour son action dans le transport dans la membrane plasmique de plusieurs récepteurs transmembranaires comme le récepteur dopaminergique D1, le M2 muscarinique, le récepteur de l’angiotensine II AT1 et le récepteur β₂-adrénergique (β₂AR) [ 22– 24]. La sous-unité Gγ et la protéine DRiP78 interagissent au niveau du réticulum endoplasmique. Cette étude [24] démontre que lorsque la synthèse protéique de novo est bloquée par le cycloheximide, la suppression de la synthèse de DRiP78 endogène, par l’utilisation de petits ARN formant des boucles en épingles à cheveux (shRNA), réduit les niveaux de la protéine Gγ2 comparés au contrôle sans shRNA. Ces résultats nous ont permis de suggérer un rôle pour la protéine DRiP78 dans le maintien de la stabilité des sous-unités Gγ naissantes en l’absence de son partenaire d’hétérodimérisation Gβ. Comme très peu d’études se sont attardées sur le rôle des chaperonnes dans les processus d’assemblage de complexes de signalisation, d’autres travaux seraient nécessaires à une compréhension fine des mécanismes régulant l’assemblage. Par exemple, l’utilisation de cellules où les sous-unités Gβ sont supprimées pourrait constituer un outil intéressant afin de mieux caractériser le rôle de la protéine DRiP78 dans le maintien de la stabilité de la sous-unité Gγ2. En effet, dans ces cellules, la présence de DRiP78 exogène devrait provoquer une augmentation des taux intracellulaires de Gγ2 monomériques.

Jusqu’à maintenant, aucune interaction n’a pu être détectée entre la protéine DRiP78 et la sous-unité Gβ. Nous croyons peu probable la formation d’un complexe ternaire de Gβγ avec DRiP78 puisque la sous-unité Gβ1 entre en concurrence avec DRiP78 pour interagir avec la sous-unité Gγ₂ [24]. Cependant, la protéine DRiP78 peut s’associer directement avec la protéine PhLP1 [24], cette alliance suggère que le complexe PhLP1-Gβ peut s’assembler avec le complexe DRiP78-Gγ et participer à la formation du dimère actif Gβγ. Il reste à déterminer comment ces deux complexes interagissent ensemble pour favoriser la formation du dimère Gβγ (Figure 1).

Figure 1. Les chaperonnes impliquées dans l’assemblage de la protéine G hétérotrimérique. Dans ce modèle proposé, la protéine Gβ naissante forme un complexe ternaire avec les protéines CCT et PhLP. La phosphorylation de PhLP par la protéine CK2 provoque le relâchement d’un complexe Gβ-PhLP du CCT. Pour sa part, la sous-unité Gγ naissante sera associée à la protéine DRiP78, à la membrane du réticulum endoplasmique. L’interaction entre DRiP78 et PhLP permettra l’assemblage du dimère Gβγ. La protéine Gα naissante sera potentiellement complexée aux chaperonnes CSP, GIV, Daple et/ou FLJ00354. Il faudra déterminer si les chaperonnes du dimère Gβγ interagissent avec la sous-unité Gα et/ou ses protéines chaperonnes potentielles afin de former l’hétérotrimère.

Figure 1. Les chaperonnes impliquées dans l’assemblage de la protéine G hétérotrimérique. Dans ce modèle proposé, la protéine Gβ naissante forme un complexe ternaire avec les protéines CCT et PhLP. La phosphorylation de PhLP par la protéine CK2 provoque le relâchement d’un complexe Gβ-PhLP du CCT. Pour sa part, la sous-unité Gγ naissante sera associée à la protéine DRiP78, à la membrane du réticulum endoplasmique. L’interaction entre DRiP78 et PhLP permettra l’assemblage du dimère Gβγ. La protéine Gα naissante sera potentiellement complexée aux chaperonnes CSP, GIV, Daple et/ou FLJ00354. Il faudra déterminer si les chaperonnes du dimère Gβγ interagissent avec la sous-unité Gα et/ou ses protéines chaperonnes potentielles afin de former l’hétérotrimère.

Jusqu’à maintenant, nous détenons très peu d’informations concernant la synthèse et l’assemblage de la sous-unité Gα avec les autres sous-unités formant la protéine G fonctionnelle. Récemment, de nouvelles protéines interagisssant avec la sous-unité Gα ont été identifiées. Ces protéines ne font pas partie des effecteurs réguliers des protéines G, comprenant majoritairement des enzymes et des canaux potassiques qui régulent la production de second messager. Parmi celles-ci, notons les protéines CSP (J domain-containing cysteine string protein ; [ 25]), GIV (Gα-interacting vesicle-associated protein ; [ 26]), Daple [26] et FLJ00354 [26]. Fait intéressant, la protéine CSP contient un domaine J caractéristique des protéines de la famille des chaperonnes DnaJ/Hsp40, tout comme DRiP78. Jusqu’à maintenant, personne n’a encore étudié le rôle de ces protéines dans la maturation et la stabilité des sous-unités Gα ainsi que dans la formation ou l’assemblage des protéines G hétérotrimériques. Nous croyons que l’étude de ces protéines pourrait révéler certains des liens manquants pour l’assemblage de la protéine G hétérotrimérique. Puisque Gα et PhLP-1 partagent le même domaine d’interaction sur la sous-unité Gβ [ 27], des études subséquentes devront être faites afin de déterminer si la sous-unité Gα et/ou ses chaperonnes potentielles pourraient jouer un rôle dans le détachement du dimère Gβγ des chaperonnes PhLP-1 et DRiP78.

L’assemblage de la protéine G hétérotrimérique semble être régi par un certain nombre de protéines chaperonnes nouvellement détectées. Les sous-unités Gβ, à l’exception de la sous-unité Gβ_5, comportent des séquences très similaires, ce qui permet de croire qu’un nombre limité de chaperonnes de base pourraient interagir avec les sous-unités Gβ_1-4. En fait, il a été récemment démontré que les protéines PhLP-1 et CCT disposent de moyens d’agir comme chaperonnes pour les sous-unités Gβ_1-5. Cependant, la sous-unité Gβ₅ est relâchée de PhLP-1 pour interagir avec ses partenaires, tels que la protéine RGS7 [ 28]. La famille des Gγ montre une plus grande divergence de séquences entre ses membres, et il reste à déterminer s’il existe des chaperonnes spécifiques pour les différentes sous-unités. Nos résultats avec DRiP78 suggèrent que d’autres chaperonnes pourraient être associées à l’assemblage des dimères Gβγ, puisque DRiP78 n’interagit pas avec toutes les sous-unités Gγ. La famille des protéines DnaJ, dont fait partie la protéine DRiP78, comprend plusieurs autres membres qui pourraient remplir ces rôles. Plusieurs études ont montré une spécificité des hétérotrimères pour certaines fonctions cellulaires ou pour la spécificité de la signalisation des RCPG [ 29]. Il apparaît donc évident que les cellules doivent posséder un mode de régulation afin d’emboîter les bonnes sous-unités avec les bonnes fonctions. Cependant, ce mécanisme nous est toujours totalement inconnu. Il serait donc intéressant de déterminer si des hétérotrimères composés de sous-unités différentes recourent aux mêmes protéines chaperonnes. Si cela n’est pas le cas, ces chaperonnes pourraient très certainement faciliter la formation de complexes des isoformes spécifiques des sous-unités de la protéine G et même des complexes récepteurs-protéines G spécifiques. Éventuellement, ceci pourra mener à l’ultime question : est-ce que des protéines chaperonnes déterminées pourraient être ciblées dans l’hypothèse d’une stratégie thérapeutique dirigée vers une voie de signalisation bien précise ?

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.