Life Sciences Division

L’homéostasie du fer, élément essentiel mais toxique en forte concentration, est assurée chez les métazoaires au niveau post-transcriptionnel par le système IRE (Iron Responsive Element) / IRP (Iron Responsive Proteins). IRP1 et IRP2 sont des protéines cytosoliques capables d’interagir avec des motifs particuliers de l’ARN messager (ARNm), appelés IRE, situés dans les régions non traduites des ARNm de protéines impliquées dans le transport (récepteur de la transferrine), l’utilisation (aminolévulinate synthase des érythroblastes) et le stockage (ferritine) du fer. L’activité fixatrice aux IRE des IRP est modulée par des mécanismes distincts. En présence de fer, IRP1 intègre un centre [4Fe-4S], perd sa capacité de fixation aux IRE et acquiert une activité aconitase. La régulation de l’activité de IRP1 s’effectue donc par un mécanisme d’assemblage et de désassemblage du centre fer-soufre. En présence de fer, IRP2 quant à elle est rapidement dégradée par le protéasome. La régulation de l’activité des deux IRP, par assemblage et désassemblage du centre fer-soufre d’une part, et par adressage au protéasome d’autre part, a été étudiée ici dans divers contextes afin de préciser les détails moléculaires des mécanismes mis en jeu.

IRP1 humaine a d’abord été produite dans le cytosol et adressée à la mitochondrie d’un eucaryote modèle, la levure Saccharomyces cerevisiae, afin de mesurer l’efficacité de l’assemblage et la stabilité du centre fer-soufre de IRP1 selon sa localisation cellulaire. Dans la mitochondrie, IRP1 présente une activité aconitase totalement efficace pour suppléer l’auxotrophie au glutamate de la souche hôte utilisée dans laquelle le gène de l’aconitase mitochondriale est inactivé. En revanche, l’activité aconitase de IRP1 dans le cytosol est moins efficace pour compenser cette auxotrophie. Cela suggère que la stabilité du centre fer-soufre de IRP1 dépend de sa localisation cellulaire, et probablement de partenaires disponibles selon le compartiment pouvant jouer sur l’équilibre entre les deux formes actives de IRP1. IRP2 quant à elle, produite dans la même souche, n’est pas capable de restaurer l’auxotrophie au glutamate, ce qui apporte la preuve que IRP2 n’est pas une aconitase dans un contexte cellulaire.

Le mécanisme de dégradation de IRP2 en présence de fer n’est pas bien compris. Un peptide de 73 acides aminés présent dans IRP2, mais pas dans IRP1, a été décrit comme le senseur de fer intracellulaire, en particulier d’hème, responsable de l’adressage de la protéine au protéasome en relation avec la concentration en fer. Mais ce mécanisme n’est pas parfaitement compris et il peut même être remis en cause. Afin de mieux comprendre le rôle de ce fragment, il a été produit, purifié, et son interaction potentielle avec le fer et l’hème a été analysée. Aucune interaction directe entre l’hème et le peptide de 73 acides aminés n’a pu être mise en évidence, au contraire de ce qui a été précédemment décrit dans la littérature, alors qu’une forme tronquée de ce peptide a la capacité de fixer l’hème. Cette étude met en perspective le rôle potentiel de senseur de fer de ce peptide, et remet en question le mécanisme moléculaire de régulation de IRP2 par le fer.

Afin d’analyser le mécanisme de dégradation de IRP2 dans un contexte cellulaire, des cellules de mammifères dans lesquelles les protéines IRP2 et IRP2 dépourvue du fragment spécifique de 73 acides aminés ont été sur-produites ont été utilisées. En présence de fer, le rôle du protéasome dans la dégradation de ces deux protéines a été confirmé. Dans des conditions de culture sans excès de fer, les lysosomes ont été identifiés comme participant aussi à la dégradation de ces deux protéines issues d’IRP2, alors qu’ils ne sont pas impliqués dans la demi-vie de IRP1 dans le même contexte cellulaire. L’implication du protéasome et des lysosomes dans la dégradation de IRP2 n’est donc pas dépendant de la présence du fragment de 73 acides aminés, ce qui suggère d’autres caractéristiques différenciant IRP1 et IRP2.

Enfin, l’effet de certaines situations de stress sur l’activité des IRP, comme l’ajout de métaux toxiques ou de peroxyde d’hydrogène, a été analysé dans un contexte cellulaire (levure et cellules de mammifères). Les différents résultats obtenus illustrent la variété des mécanismes observés suivant les types de stress appliqués, pouvant être à l’origine d’une dérégulation du métabolisme du fer chez les métazoaires.

L’analyse de la régulation de l’activité des IRP par différents stimuli dans divers contextes (protéines purifiées, levure, cellules de mammifères) a permis de mettre en évidence des mécanismes spécifiques apportant de nouveaux éléments pour la compréhension du mode de régulation de l’homéostasie du fer par IRP1 et IRP2.