Fiche de révision : Localisation des protéines

📋 Plan du Cours

1. Localisation et ressources protéomiques
2. Signalisation du TNF selon sa localisation
3. Régulation de p53 selon le contexte
4. Dérégulations de localisation en cancer
5. Localisation et pronostic des cancers
6. Maladies liées aux défauts de localisation
7. Microscopie et visualisation cellulaire
8. Criblage et modulation du trafic
9. Membranes cellulaires et organites
10. Signaux et voies de ciblage protéique
11. Régulation des signaux d’adressage
12. Pore nucléaire et trafic nucléocytoplasmique
13. Passage à travers les pores nucléaires
14. Composition du complexe du pore nucléaire
15. Barrière sélective et dynamique du pore
16. Passage des capsides VIH par les NPC
17. Assemblage et dilatation du pore nucléaire
18. Régulation de l’import nucléaire de JMY

📖 1. Localisation et ressources protéomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéiforme : Une protéine existe sous de multiples variations dans la cellule, notamment en raison de séquences codantes différentes et de caractéristiques spécifiques comme la glycosylation ou la phosphorylation.

★ À maîtriser

• Cinq domaines cliniques illustrent des liens entre protéiformes et maladies :

  • La tau hyperphosphorylée et la neurodégénérescence dans la maladie d’Alzheimer
  • La phosphorylation de cTnI et les lésions cardiaques
  • La glycérophosphorylation de PilE et la méningite cérébrospinale
  • La région hypervariable de KRAS4B et les protéiformes tumoraux
  • La glycosylation des anticorps monoclonaux et les médicaments ou diagnostics fondés sur les anticorps

• La distribution spatio-temporelle des protéines dans les compartiments cellulaires est un déterminant fondamental de leurs fonctions biologiques.

• 50 % des protéines humaines annotées occupent simultanément ou séquentiellement au moins deux compartiments cellulaires distincts.

• Des localisations multiples exposent une protéine à différents micro-environnements chimiques et partenaires d’interaction, ce qui permet à une même séquence polypeptidique, sans modification de sa séquence d’acides aminés, d’assurer plusieurs fonctions.

Compléments

• Le Human Proteoform Project vise à cartographier les protéines du corps humain (Smith et al.).

• Le projet OpenCell catalogue la localisation du protéome afin d’améliorer la compréhension de l’organisation cellulaire.

• Le Human Protein Atlas présente huit ressources :

  • Tissus
  • Cerveau
  • Cellule unique
  • Sous-cellulaire
  • Cancer
  • Sang
  • Lignées cellulaires
  • Structures et interactions

📖 2. Signalisation du TNF selon sa localisation

★ À maîtriser

📌 Le tmTNF reste à la surface de la cellule productrice, agit par contact et se lie préférentiellement à TNFR2, tandis que le sTNF est libéré par TACE, diffuse à distance et se lie préférentiellement à TNFR1.

📌 À la membrane plasmique, le TNFR1 activé recrute le Complexe I et stimule NF-κB, favorisant la survie cellulaire et des signaux pro-inflammatoires ; après endocytose, le Complexe II active les caspases et déclenche l’apoptose ou la nécroptose.

Compléments

• TNFR2 est principalement exprimé par les cellules immunitaires, notamment les Tregs, et les cellules endothéliales, où il participe à une régulation immunitaire ciblée et à des réponses protectrices.

• TNFR1 est présent sur presque tous les types cellulaires et permet au sTNF de déclencher des cascades inflammatoires généralisées pouvant mener à la fièvre ou au choc.

💡 Astuce mémo

Membrane–Complexe I–NF-κB : survie ; endosome–Complexe II–caspases : mort.

📖 3. Régulation de p53 selon le contexte

★ À maîtriser

• Les réponses cellulaires associées à p53 comprennent :
  • l’apoptose
  • l’arrêt du cycle cellulaire
  • l’autophagie
  • la réparation de l’ADN
  • la sénescence
  • la régulation du métabolisme
  • l’implantation embryonnaire

Compléments

• Le schéma associe au stress :

  • L’épuisement des dNTP
  • L’hypoxie
  • Les dommages à l’ADN
  • Les oncogènes
  • Le choc thermique
  • L’érosion des télomères
  • La perturbation nucléolaire

• Le schéma cite comme régulateurs :

  • MDM2
  • COP1
  • HAUSP
  • CARPs
  • MDMX
  • PIRH2

• Le schéma associe p53 aux localisations :

  • Cytoplasmique
  • Mitochondriale
  • Nucléaire

• Les modifications indiquées pour p53 sont :

  • L’acétylation
  • La sumoylation
  • La phosphorylation
  • La neddylation
  • La méthylation
  • L’ubiquitylation

• Le schéma cite HIPK2 et les protéines ASPP parmi les cofacteurs ou modificateurs de p53.

• La réponse hétérogène de p53 au stress dépend d’un « code-barres complexe » de régulation, comme le décrit l’article de Fiona Murray-Zmijewski, Elizabeth A. Slee et Xin Lu.

📖 4. Dérégulations de localisation en cancer

★ À maîtriser

📌 BRCA1 nucléaire intervient dans la réparation de l’ADN et les points de contrôle du cycle cellulaire, tandis que BRCA1 cytoplasmique régule la fonction des centrosomes et l’apoptose indépendante de p53.

Compléments

• Dans les cellules normales, BRCA1 est principalement nucléaire, tandis que dans les cellules cancéreuses, il peut être cytoplasmique en raison notamment de variants d’épissage dépourvus de signal de localisation nucléaire ou d’une exportation nucléaire favorisée par p53.

• Dans les cellules cancéreuses, la protéine p53 peut se trouver dans le noyau, les mitochondries ou le cytoplasme, notamment en raison de mutations, d’interactions avec MDM2 ou de son export nucléaire médié par CRM1.

• Dans les cellules cancéreuses, la β-caténine peut s’accumuler dans le noyau ou le cytoplasme à la suite de mutations de l’exon 3 qui empêchent la phosphorylation ciblée par GSK3β.

• Dans les cellules cancéreuses, la localisation cytoplasmique d’APC peut résulter de mutations ou d’une exportation nucléaire dépendante de CRM1 et s’accompagne d’une perte de sa fonction de suppresseur tumoral.

💡 Astuce mémo

BRCA1 nucléaire répare l’ADN ; BRCA1 cytoplasmique régule les centrosomes et l’apoptose indépendante de p53.

📖 5. Localisation et pronostic des cancers

★ À maîtriser

• Une expression nucléaire d’E-cadhérine, une perte de son expression membranaire, ou les deux, ont été observées dans 97 % des carcinomes à cellules de Merkel, 100 % des tumeurs pseudopapillaires solides du pancréas et 86 % de plusieurs autres cancers cités dans l’étude.

• Dans le cancer du poumon non à petites cellules, l’expression cytoplasmique ou nucléaire de β-caténine est fortement associée à un mauvais pronostic et constitue un facteur pronostique indépendant de la survie globale chez 309 patients.

Compléments

• La coloration nucléaire du VEGFR2 est positive dans les carcinomes lobulaires invasifs du sein et négative dans les carcinomes canalaires invasifs du sein; sa localisation cytoplasmique plus marquée est associée à un pronostic défavorable dans le mélanome et le lymphome diffus à grandes cellules B.

• Dans le cancer du sein, l’expression nucléaire d’ADA3 est associée à un bon pronostic, tandis que son expression principalement cytoplasmique est associée à un mauvais pronostic dans une série de 900 cas.

📖 6. Maladies liées aux défauts de localisation

★ À maîtriser

• Les mutations du signal de localisation nucléaire (NLS) entraînent une perte de localisation nucléaire de SRY dans le syndrome de Swyer, de TRPS1 dans le syndrome trichorhinophalangien (TRPS), d’ARX dans le XLAG et de FOXP2 dans les troubles du langage ; une mutation du NLS retient SHOX dans le cytoplasme dans la dyschondroostéose de Léri-Weill.

• Des mutations entraînent une rétention dans le réticulum endoplasmique de la rhodopsine dans la rétinite pigmentaire et d’AVPR2 dans le diabète insipide néphrogénique ; la mutation H1069Q d’ATP7B provoque aussi une rétention dans le réticulum endoplasmique dans la maladie de Wilson.

• Des mutations de FUS entraînent sa relocalisation cytoplasmique dans la FTLD, tandis que des modifications post-traductionnelles provoquent une relocalisation cytoplasmique de FOXO et p53 dans différents types de cancers.

Compléments

• Une mutation du domaine à doigt de zinc (ZFD) d’AIRE entraîne sa rétention cytoplasmique dans l’APECED, tandis qu’une mutation du signal de localisation nucléolaire (NoS) de RPS19 provoque une perte de localisation nucléolaire dans l’anémie de Diamond-Blackfan.

• Dans l’hyperoxalurie primitive de type 1, un polymorphisme ou une mutation d’AGT provoque une mauvaise localisation mitochondriale ; dans la laminopathie, une mutation de la lamine A/C entraîne la formation d’agrégats nucléaires de hsMOK2.

• La N-myristoylation acquise de SHOC2 entraîne sa relocalisation à la membrane plasmique dans le syndrome apparenté à Noonan. - Cordeddu et al., 2009

• Dans la maladie de Tangier, des mutations d’ABCA1 entraînent une perte de localisation à la membrane plasmique. - Tanaka et al., 2003

• La phosphorylation excessive de Tau entraîne sa mauvaise localisation dans les épines dendritiques dans les maladies neurodégénératives ; TARDBP est relocalisée dans le cytoplasme dans la SLA et la dégénérescence lobaire frontotemporale (FTLD), par un mécanisme indiqué comme inconnu.

💡 Astuce mémo

Perte de localisation nucléaire versus rétention dans un compartiment

📖 7. Microscopie et visualisation cellulaire

★ À maîtriser

• L’immunofluorescence permet de visualiser une protéine dans une cellule fixée : les cellules sont fixées, puis un anticorps primaire cible la protéine et un anticorps secondaire fluorescent marqué par un colorant permet sa détection.

• Pour visualiser une protéine d’intérêt avec GFP, le gène de la protéine est exprimé avec GFP afin de produire une protéine de fusion fluorescente, par exemple GFP-p65, dont la localisation peut être observée avec ou sans TNFα.

Compléments

• L’échelle illustrée pour comparer les objets et les méthodes d’imagerie s’étend de 1 nm à 10 cm.

• Les méthodes d’imagerie présentées comprennent : la microscopie à fluorescence, la microscopie super-résolution, la tomographie par cohérence optique, les microscopies widefield, TIRF et confocale, les méthodes 4Pi et I⁵M, l’illumination structurée haute résolution, GSD, SSIM et STED, PALM, FPALM et STORM, la microscopie en champ proche (NSOM), la microscopie électronique, l’IRM, l’échographie et la TEP

• La localisation de p65 après traitement par TNF est suivie par immunofluorescence à plusieurs temps : 15, 30, 60, 120 et 180 minutes ; des images confocales sont prises à intervalles définis.

• MAVS forme des fibres auto-propagées au niveau de la membrane externe mitochondriale ; les exemples présentés comparent des cellules non infectées et infectées par le virus Sendai.

📖 8. Criblage et modulation du trafic

🔑 Notions clés & Définitions

• Criblage à haut contenu : Combinaison de l’efficacité du criblage à haut débit et de l’imagerie cellulaire, qui recueille des données quantitatives sur des systèmes biologiques complexes dans l’espace et le temps.

★ À maîtriser

• Dans le criblage à haut contenu, le noyau est segmenté à partir d’une coloration DAPI, l’image binaire est séparée en cellules identifiées individuellement, puis un masque cytoplasmique est obtenu par différence entre les masques nucléaire et nucléaire plus cytoplasmique ; la distribution du rapporteur fluorescent entre noyau et cytoplasme est ensuite quantifiée.

• Des agents peuvent modifier le trafic ou la localisation des protéines : IN3 favorise l’expression de surface de GNRHR ; la rapamycine restaure la localisation nucléaire de TARDBP ; CF35Es favorise le trafic correct de la rhodopsine ; ETP-45648 favorise la localisation nucléaire de FOXO ; et CHS828 maintient NF-κB dans le cytoplasme.

Compléments

• La localisation subcellulaire d’une protéine rapporteur située en aval d’une perturbation fournit une lecture visuelle de l’activité des voies de signalisation et permet d’identifier des composés ou des cibles thérapeutiques susceptibles de modifier la localisation et la fonction des protéines.

• Les protéines étudiées comprennent :

  • NF-κB
  • FOXO
  • NFAT
  • p27Kip1
  • p53
  • le récepteur des œstrogènes α
  • p38
  • ERF1
  • AKT
  • la glucokinase et le régulateur REV du VIH-1

• D’autres agents modifient la localisation d’AKT à la membrane plasmique (PITs), de RAS (palmostatin B), des protéines farnésylées (tipifarnib), de PLK1 (poloxin), de FOXO1 dans le noyau (resvératrol), d’ICN1 (GSIs), de p53 dans le noyau (elliticene) ou de NFAT dans le cytoplasme (INCAs).

• WGA provoque une exclusion nucléaire non spécifique ; bimax1/2 empêche la libération de cargos nucléaires par l’importine-α ; les analogues de LMB entraînent une rétention nucléaire non spécifique via CRM1.

📖 9. Membranes cellulaires et organites

★ À maîtriser

• Chez l’hépatocyte, le réticulum endoplasmique rugueux représente 35 % de la membrane totale et le réticulum endoplasmique lisse 16 %, tandis que chez la cellule exocrine du pancréas ces proportions sont respectivement de 60 % et de moins de 1 %.

Compléments

• Le schéma identifie les structures suivantes : le noyau, les réticulums endoplasmiques rugueux et lisses, le lysosome, le centriole, le peroxysome, le cytosquelette : microtubules, filaments intermédiaires et microfilaments, le flagelle, absent de la plupart des cellules végétales

• La cellule eucaryote comprend notamment des ribosomes, l’appareil de Golgi, la membrane plasmique, des mitochondries, un noyau, des réticulums endoplasmiques rugueux et lisses, des lysosomes, des peroxysomes, des endosomes, un cytosquelette et, dans certaines cellules, un flagelle ou un centriole.

• La membrane plasmique représente 2 % de la membrane totale chez l’hépatocyte et 5 % chez la cellule exocrine du pancréas.

• La surface membranaire totale est de 110 000 µm² pour un hépatocyte de 5 000 µm³ et de 13 000 µm² pour une cellule exocrine du pancréas de 1 000 µm³.

📖 10. Signaux et voies de ciblage protéique

★ À maîtriser

• La plupart des protéines sont synthétisées sur des ribosomes situés dans le cytosol ; en l’absence de signal reconnu, elles y restent par défaut, tandis qu’un signal reconnu les dirige vers une destination spécifique.

📌 Un signal d’adressage peut être une séquence signal formée d’acides aminés voisins dans la séquence primaire, ou un signal patch formé par des résidus éloignés dans la séquence primaire mais rapprochés dans la structure tridimensionnelle.

• Le transport par pore nucléaire concerne des protéines repliées, peut fonctionner dans les deux directions et mobilise le complexe du pore nucléaire ainsi que des récepteurs d’import et d’export ; les signaux sont le NLS pour l’import et le NES pour l’export.

• La translocation à travers une membrane concerne généralement des protéines non repliées, se fait principalement par import et utilise Sec61 pour le réticulum endoplasmique ou les complexes TOM/TIM pour la mitochondrie, avec des signaux propres à chaque destination.

• L’importation peroxysomale peut concerner une protéine déjà repliée, parfois oligomérique, et mobilise les récepteurs PEX5 ou PEX7 ainsi que le complexe d’import comprenant notamment PEX13 et PEX14.

Compléments

• Le signal PTS1 est situé à l’extrémité C-terminale, avec -SKL comme exemple, tandis que le signal PTS2 est situé à l’extrémité N-terminale.

💡 Astuce mémo

Pore nucléaire : protéine repliée et trafic bidirectionnel ; translocateur : protéine généralement non repliée et import.

📖 11. Régulation des signaux d’adressage

★ À maîtriser

• L’accessibilité d’un signal d’adressage peut être modifiée par la conformation de la protéine, par son association ou dissociation avec un partenaire protéique et par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation.

• Un signal masqué n’est pas reconnu par la machinerie d’adressage et la protéine reste dans son compartiment initial ; lorsque le signal est exposé et reconnu, la protéine est relocalisée vers sa destination.

Compléments

• Les stimuli cellulaires mentionnés comprennent :
  • le stress
  • l’infection
  • l’activation de récepteurs
  • les changements métaboliques

• L’exemple de l’activation du facteur de transcription IRF3 par phosphorylation est associé à Lin R. & Hiscott J. et à MCB 1998.

💡 Astuce mémo

Signal masqué → non reconnu → protéine maintenue dans son compartiment ; signal exposé → reconnu → relocalisation.

📖 12. Pore nucléaire et trafic nucléocytoplasmique

🔑 Notions clés & Définitions

• Enveloppe nucléaire : Formée de deux membranes concentriques en continuité, qui maintiennent une composition protéique différente ; la membrane interne contient des protéines liant la lamina nucléaire, tandis que la membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique rugueux et porte des ribosomes.

★ À maîtriser

• Les pores nucléaires se situent à la jonction des membranes interne et externe ; leur structure est cylindrique, complexe et de symétrie octogonale, et le complexe du pore nucléaire est dynamique et adaptable.

• Du cytosol au noyau, les pores nucléaires transportent notamment les histones, l’ADN et l’ARN polymérase, des protéines régulatrices de l’expression génétique et des protéines de la membrane interne ; du noyau au cytosol, ils transportent notamment des ribonucléoprotéines associées aux ARN.

• 🔄 Le trajet des sous-unités ribosomales comprend : les protéines ribosomales sont traduites dans le cytosol, elles sont importées dans le noyau, elles sont assemblées avec l’ARN ribosomal, les sous-unités ribosomales sont réexportées dans le cytosol

Compléments

• Les dimensions initialement déterminées par microscopie électronique pour le pore nucléaire sont un diamètre de 100–150 nm, un diamètre intérieur de 40 nm et une épaisseur de 50–70 nm. - Winogradoff, D. et al., Nat Commun 13, 5138, 2022

💡 Astuce mémo

Sous-unités ribosomales : import dans le noyau → assemblage avec l’ARN ribosomal → réexport.

📖 13. Passage à travers les pores nucléaires

★ À maîtriser

• Dans le nucléole, le précurseur d’ARNr 45S est traité pour produire les ARNr 18S, 5,8S et 28S, tandis que l’ARNr 5S est synthétisé hors du nucléole; les protéines ribosomales produites dans le cytoplasme sont assemblées avec ces ARN pour former les sous-unités 40S et 60S, qui sont transportées vers le cytoplasme et activées en ribosomes fonctionnels.

• Des particules d’or colloïdal recouvertes de peptides portant des signaux de localisation nucléaire sont injectées dans des cellules vivantes puis observées en microscopie électronique après fixation à différents temps; elles se déplacent de la face cytosolique vers la face nucléaire des complexes du pore nucléaire.

• Après injection, les particules d’or sont proches des fibrilles cytosoliques du pore à 10 min, visibles exclusivement sur sa face cytosolique à 30 et 40 min, puis sur sa face nucléaire à 50 min.

Compléments

• Le traitement du précurseur d’ARNr 45S fournit les ARNr 18S, 5,8S et 28S, tandis que l’ARNr 5S est produit hors du nucléole.

• Les particules d’or observées sont beaucoup plus grandes que le canal de diffusion du pore, ce qui implique que les pores ont été élargis pour permettre leur passage.

💡 Astuce mémo

10 min près des fibrilles, 30–40 min côté cytosolique, 50 min côté nucléaire.

📖 14. Composition du complexe du pore nucléaire

★ À maîtriser

• Le pore nucléaire de levure comprend plus de 456 protéines appartenant à 30 types différents.

• Les nucléoporines s’organisent en couches concentriques qui forment un tube central par lequel transitent les macromolécules.

Compléments

• La morphologie générale du complexe du pore nucléaire est conservée.

• Les nucléoporines forment des associations permanentes avec le noyau et constituent le cœur du complexe du pore nucléaire.

📖 15. Barrière sélective et dynamique du pore

★ À maîtriser

• Les domaines désordonnés des nucléoporines interagissent entre eux pour former un réseau dynamique qui remplit le canal central et constitue la barrière sélective du complexe du pore nucléaire. - Yu et al., Nature, 2023

• La formation ou la réduction de ponts disulfure entre les nucléoporines régule la densité du filtre du pore nucléaire; une faible densité est associée à une perméabilité élevée, tandis qu’une forte densité est associée à une perméabilité faible. - Zhang et al., Cell, 2020

Compléments

• Des modèles structuraux du pore nucléaire humain couvrant plus de 90 % de son échafaudage auparavant non caractérisé ont capturé des états de constriction et de dilatation.

• Les nucléoporines liantes flexibles organisent spatialement l’échafaudage du pore nucléaire entre différents sous-complexes.

• Selon les simulations de dynamique moléculaire rapportées, l’échafaudage protéique n’est pas nécessaire pour stabiliser la fusion des membranes nucléaires interne et externe; sa fonction mécanique principale est d’élargir le pore central contre la tension naturelle de la membrane.

💡 Astuce mémo

Les interactions entre domaines désordonnés remplissent le canal et créent la barrière sélective.

📖 16. Passage des capsides VIH par les NPC

★ À maîtriser

• Zila et al. montrent en 2021 que les NPC de cellules T infectées sont suffisamment dilatés pour permettre le passage de capsides coniques du VIH-1 apparemment intactes.

• Kreysing et al. décrivent en 2025 un passage de capsides coniques du VIH-1 à travers des pores nucléaires de macrophages humains primaires, avec ouverture locale des anneaux du NPC (« cracking ») pour potentiellement soulager un blocage stérique. - Passage of the HIV capsid cracks the nuclear pore

📌 Selon Hou et al. (2025), l’import nucléaire du VIH-1 est sélectif et dépend à la fois de l’élasticité de la capside et de l’adaptabilité du pore, les cores plus petits étant favorisés par rapport aux cores coniques. - HIV-1 nuclear import is selective and depends on both capsid elasticity and nuclear pore adaptability

Compléments

• Lors de l’entrée nucléaire du VIH-1, la cyclophiline A est retirée de la capside, dont les collisions avec les FG-Nups peuvent provoquer une fissure du NPC.

• Le transport d’un cargo très volumineux résulte d’une interaction mécanique entre un cargo déformable et un pore adaptable.

💡 Astuce mémo

NPC suffisamment dilaté pour laisser passer la capside, mais susceptible de se fissurer lors du passage

📖 17. Assemblage et dilatation du pore nucléaire

★ À maîtriser

• Après la mitose, les interactions hydrophobes entre FG-nucléoporines, notamment Nup98, contribuent à dilater le pore membranaire lors de l’assemblage du NPC et à former son canal central. - Li et al., Hydrophobic interactions of FG-nucleoporin drive nuclear pore membrane dilation during assembly, 2026

📌 La perturbation des interactions hydrophobes entre FG-nucléoporines empêche l’expansion du pore, entraîne un défaut d’import nucléaire et compromet l’expansion du noyau.

Compléments

📌 Les FG-nucléoporines contribuent à la fois à la barrière sélective du transport et au rôle structural de dilatation du pore pendant son assemblage.

💡 Astuce mémo

Interactions hydrophobes des FG-nucléoporines → dilatation du pore

📖 18. Régulation de l’import nucléaire de JMY

🔑 Notions clés & Définitions

• JMY : Régulateur de la transcription et de l’assemblage des filaments d’actine qui s’accumule dans le noyau en réponse aux dommages à l’ADN et favorise l’apoptose dépendante de p53.

★ À maîtriser

📌 Le cluster WH2 de JMY chevauche une séquence de localisation nucléaire atypique bipartite, et l’actine monomérique liée aux domaines WH2 bloque la liaison des importines à cette séquence, empêchant l’import nucléaire de JMY.

📌 Les dommages à l’ADN induisent la polymérisation cytoplasmique de l’actine et l’import nucléaire de JMY, lequel dépend de la région WH2/NLS et de l’importine β.

Compléments

• Le cluster de JMY comprend trois domaines WH2 liant l’actine, qui nucléent directement les filaments et favorisent aussi l’activité de nucléation du complexe Arp2/3.

📌 Les mutations qui diminuent la liaison de l’actine à JMY, ou les perturbations cellulaires qui favorisent l’assemblage des filaments d’actine et réduisent l’actine monomérique cytoplasmique, entraînent l’accumulation nucléaire de JMY.

💡 Astuce mémo

Actine monomérique liée aux WH2 : import bloqué ; polymérisation de l’actine : accumulation nucléaire de JMY

📊 Tableaux de synthèse

Voies de signalisation du TNF