De nombreuses protéines d’une cellule sont recyclées régulièrement et servent de source d’acides aminés pour la synthèse de nouvelles protéines. L’ubiquitine est une très petite protéine qui porte ce nom car elle est omniprésente dans les cellules eucaryotes et a une structure très similaire entre des organismes très différents. Il fonctionne comme une étiquette qui se fixe aux protéines pour les cibler, généralement pour la dégradation. Le processus d’ajout de cette étiquette aux protéines ciblées est connu sous le nom de voie d’ubiquitination. Par la suite, ces protéines sont décomposées en petits morceaux dans une structure connue sous le nom de protéasome.
Les protéines sont des molécules composées d’unités d’acides aminés reliées par des liaisons peptidiques. Ils peuvent subir de nombreuses modifications, dont l’une consiste à avoir des composés attachés au début ou à la fin de la molécule de protéine. De nombreuses protéines sont des enzymes qui accélèrent les réactions. Un type d’enzyme est une protéase, qui dégrade d’autres protéines dans des circonstances spécifiques et hautement réglementées. La voie d’ubiquitination implique l’activité des protéases.
L’ubiquitine est une molécule omniprésente dans les organismes supérieurs. Il ne se trouve pas dans les bactéries. Cette petite protéine se trouve dans les cellules. Il contient un nombre inhabituellement élevé de molécules de l’acide aminé lysine, et sept de ces composés sont présents.
Des travaux originaux sur l’ubiquitine ont suggéré que les protéines cibles, en particulier celles qui étaient défectueuses, se liaient à une molécule de lysine particulière sur cette étiquette protéique. Or on sait que les protéines à dégrader peuvent se lier à différents groupements lysine voire au groupe terminal de cette protéine omniprésente. Le processus de liaison de la protéine à l’ubiquitine pour démarrer le processus d’ubiquitination est énergivore. Normalement, le clivage d’une liaison peptidique libère de l’énergie. Dans ce cas, il utilise une molécule de la monnaie énergétique de la cellule, l’adénosine triphosphate (ATP).
La voie d’ubiquitination est complexe. Même la liaison de l’ubiquitine à la protéine ciblée implique trois enzymes différentes. L’un active l’ubiquitine et est connu sous le nom de E1. Il existe des dizaines de types d’enzymes différents impliqués dans la deuxième étape, appelée E2, dans laquelle l’ubiquitine activée est attachée à une enzyme de conjugaison. L’étape 3 utilise l’un des centaines de types d’enzymes différents qui reconnaissent différentes protéines à dégrader et attache la protéine cible à un groupe lysine sur la molécule d’ubiquitine.
L’ubiquitination a lieu au sein d’un complexe appelé protéasome. Il s’agit d’une grande structure dans laquelle les protéases dégradent la protéine ubiquitinylée. Il est décomposé en plus petits fragments d’acides aminés appelés peptides. Ces morceaux peuvent être facilement dégradés en leurs acides aminés composants par les peptidases et utilisés comme source d’acides aminés pour synthétiser de nouvelles protéines. Dans certains cas, le processus produit des peptides actifs impliqués dans le métabolisme cellulaire.
La découverte que la voie d’ubiquitination a conduit à la dégradation des protéines dans le protéasome a été un travail révolutionnaire. Il a valu le prix Nobel de chimie aux trois scientifiques impliqués. Comme de plus en plus de recherches ont été menées sur ce processus, il s’est avéré beaucoup plus compliqué qu’on ne le pensait à l’origine. Les protéines peuvent avoir de l’ubiquitine ajoutée de différentes manières, comme dans une chaîne. Ce processus a des implications dans tout le spectre de la physiologie, des maladies infectieuses et des troubles génétiques.