Processus « glyco-deglyco » au cours de la biosynthèse des N-glycosylprotéines

“Glyco-deglyco” processes during the biosynthesis of N-glycoproteins

Laboratoire de Chimie Biologique, UMR n° 111 du CNRS/USTL, Bâtiment C-9, Université des Sciences et Techniques de Lille, 59655 Villeneuve d’Ascq cedex.

Résumé

Au cours des quinze dernières années, quelques équipes, dont la nôtre, ont montré que la N-glycosylation des protéines était accompagnée de la production d’oligomannosides solubles. Ce matériel était constitué d’oligosaccharide-phosphates et d’oligosaccharides neutres possédant un ou deux résidus de N-acétylglucosamine à leur extrémité réductrice (nommé OS-Gn1 et OS-Gn2, respectivement). Nous avons démontré que les oligosaccharide-phosphates provenaient de la coupure, par une pyrophosphatase spécifique, des oligosaccharide-pyrophosphodolichols localisés sur la face cytoplasmique du réticulum endoplasmique rugueux (principalement le Man₅GlcNAc₂-PP-Dol). Les OS-Gn2 proviennent de l’hydrolyse des intermédiaires lipidiques localisés à la face interne de la membrane du réticulum endoplasmique rugueux (du Man₆GlcNAc₂-PP-Dol au Glc₃Man₉GlcNAc₂-PP-Dol). Ces divers OS-Gn2 subissent l’action des α-glucosidases et mannosidases du reticulum endoplasmique rugueux et c’est en tant que Man₈GlcNAc₂ qu’ils sont transportés dans le cytoplasme où ils subissent l’action séquentielle d’une chitobiase et de mannosidase(s) cytoplasmique(s) pour être réduits à la structure de Man₅GlcNAc₁. Ce matériel peut être ensuite complètement dégradé dans les lysosomes.

Les OS-Gn1 retrouvés dans le cytoplasme peuvent avoir une double origine, soit à partir des OS-Gn2 comme indiqué ci-dessus, soit ils peuvent provenir de l’hydrolyse des glycoprotéines naissantes. Au cours de ces dernières années, des exemples de plus en plus nombreux soutiennent l’hypothèse que des glycoprotéines mal conformées sont dégradées par les protéasomes après retro-translocation dans le cytoplasme et qu’un préalable à cette dégradation soit la libération de leur partie glycannique par l’action d’endoglycosidases (PNGase ou endo-N-acetylglucosaminidase).

Considérés tout d’abord comme un événement mineur, ces phénomènes conduisent actuellement à élaborer des concepts plus généraux sur la régulation de la biosynthèse des glycoprotéines via des processus successifs de « glycosylation-déglycosylation ».

Cette revue est dédiée au Professeur Paul Boulanger dont une grande part de la carrière fut consacrée à l’étude de la structure des protéines pour en comprendre les fonctions. S’il est bien admis que beaucoup de fonctions biologiques sont portées par les protéines, il apparaît de plus en plus évident que les modifications co- et post-traductionnelles jouent un rôle essentiel dans la modulation de ces fonctions. Parmi ces modifications, la glycosylation est un événement majeur qui intervient à la fois dans la mise en conformation et la durée de vie biologique des protéines mais également dans de nombreux processus de reconnaissance.

Abstract

For the past fifteen years, it has appeared increasingly evident that the N-glycosylation process was accompanied by the release of oligomannoside type oligosaccharides. This material is constituted of oligosaccharide-phosphates and of neutral oligosaccharides possessing one GlcNAc (OS-Gn1) or two GIcNAc (OS-Gn2) at the reducing end.

It has been demonstrated that oligosaccharide-phosphates originated from the cleavage, by a specific pyrophosphatase, of non-glucosylated cytosolic faced oligosaccharide-PP-Dol and chiefly the Man₅GlcNAc₂-PP-Dol. The Man₅GlcNAc₂-P, as the main product, is recovered in the cytosolic compartment and is further degraded to Man₅GlcNAc₁ by not-yet depicted enzymes.

In contrast, OS-Gn2 produced from hydrolysis of oligosaccharide-PP-Dol (presumably as a transfer reaction onto water) when the amount of protein acceptor is limiting, are generated into the lumen of rough endoplasmic reticulum (rough ER). They are further submitted to processing a-glucosidases and rough ER mannosidase and are (mainly as Man₈Glc-NAc₂) exported into the cytosolic compartment. This material is further degraded into a single component, the Man₅GlcNAc₁, by the sequential action of a cytosolic neutral chitobiase followed by cytosolic mannosidase(s).

Furthermore, OS-Gn1 could have a dual origin: in one hand, they originate from OS-Gn2 by the cytosolic degradation pathway indicated above, on the other hand, we will discuss a possible origin from the degradation or remodelling of newly synthesized glycoproteins.

Considered first as a minor phenomenon, these observations have lead to the concept of intracellular oligomannoside trafficking, a process which results from more fundamental phenomena such as the control of the dolichol cycle, and the so-called quality-control of glycoprotein. In this review, we would like to describe the evolution of ideas on the origin, intracellular trafficking and putative roles of these oligo-mannosides released during during the N-glycosylation process. We propose that these early stage “glyco-deglyco” processes represent a way of control of N-glycosylation and of the fate of N-glycoproteins.

This review is dedicated to Pr Paul Boulanger who has spent a large part of his career to determine the structure of proteins in order to understand their functions. If it is well established that many biological functions are born by proteins, it appears more and more evident that co- or post translational modifications are of importance in the modulation of these functions. Among them, the glycosylation appears as a major event which intervene in the 3D structure of the protein, which control his biological time-life and which may act in many recognition processes.