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C HAPITRE III - L ES DOMAINES PDZ

4) Assemblage multi-domaines

4) Assemblage multi-domaines

 

L’association  de  domaines  PDZ  entre  eux  ou  avec  d’autres  domaines  permet  l’émergence   de  nouvelles  propriétés  fonctionnelles  pour  les  protéines.  L’étude  indispensable  de  ces   multi-­‐domaines,   notamment   d’un   point   de   vue   structural,   se   heurte   à   de   nombreux   problèmes   expérimentaux   tant   ils   sont   souvent   difficiles   à   produire,   et   présentent   fréquemment  de  fortes  propriétés  de  flexibilité  et  des  problèmes  de  stabilité.    

 

A. Les tandems PDZ-PDZ  

Une  des  caractéristiques  des  plus  marquantes  des  domaines  PDZ  est  la  récurrence  avec   laquelle   on   les   retrouve   en   plusieurs   copies   dans   une   même   protéine.   Parmi   les   protéines  humaines  contenant  au  moins  un  domaine  PDZ,  30%  en  contiennent  au  moins   deux,   et   18%   trois   ou   plus.   La   protéine   MUPP1   est   celle   qui   en   contient   le   plus   avec   treize  copies.  Cette  multiplicité  au  sein  des  protéines  est  plus  élevée  pour  les  PDZ  que   pour  d’autres  types  de  domaines  de  reconnaissance  tels  que  les  domaines  SH2  ou  SH3   (Figure  26).    

 

Figure  26  :  Combinaisons  en  multiples  copies   de  domaines  dans  les  protéines  humaines   Répartition   des   domaines   de   signalisation   PDZ,   SH2   et   SH3   prédite   par   protéine   par   SMART   (234).   Les   résultats   sont   classés   selon   que   les   protéines   contiennent   1   (gris),   2   (violet),   3-­‐5   (bleu),   >5   (Rouge)   copies   d’un   type   de   domaine.   D’après   Harris   et   al   (2001)  (238).  

 

   

Cette   multiplicité   permet   aux   protéines   composées   de   nombreux   PDZ   de   former   des   plateformes   d’interactions   pour   complexes   multi-­‐protéiques.   Dans   certaines   de   ces   protéines,   deux   domaines   PDZ   s’associent   pour   former   un   tandem   d’où   émergent   des  

propriétés   d’interaction   propres,   différentes   de   chacun   des   domaines   PDZ   isolés   ou   même  de  la  simple  somme  des  deux  PDZ  (357).  Ceci  est  d’autant  plus  vrai  lorsqu’ils  sont   proches   l’un   de   l’autre,   séparés   par   un   court   linker.   Ainsi,   le   tandem   PDZ-­‐1-­‐PDZ2   de   PSD95   interagit   de   manière   synergique   avec   des   ligands   dimériques   et/ou   multimériques.   En   effet,   il   possède   une   meilleure   affinité   et   spécificité   vis   à   vis   de   partenaires  tels  que  les  récepteurs  à  NMDA  ou  les  canaux  à  potassium  (244,  358).  

 Le  tandem  PDZ2-­‐PDZ3  de  PAR-­‐3,  en  fixant  à  la  fois  des  PIP  et  le  PBM  de  PTEN,  protéine   tyrosine  phosphatase  spécifique  des  PIP,  est  adapté  pour  le  maintien  du  gradient  de  PIP   dans  les  cellules  polarisées  tels  que  les  neurones  (314,  359).  

Enfin,  le  tandem  PDZ1-­‐PDZ2  de  la  synténine  en  fixant  à  la  fois  des  PIP  de  la  membrane  et   des   PBM   de   partenaires   protéiques   joue   le   rôle   de   lien   entre   les   signaux   de   PIP   et   de   protéines  membranaires  (244,  312,  360).    

 

B. Les Supramodules de PDZ  

 

On   retrouve   également   au   sein   des   protéines   contenant   des   domaines   PDZ   une   très   grande   variété   de   domaines   de   signalisation.   D’après   une   analyse   bioinformatique   effectuée  par  SMART,  environ  45%  des  protéines  ayant  des  domaines  PDZ  contiennent   au  moins  un  autre  type  de  domaine.  Il  peut  s’agir  de  domaines  de  reconnaissance  tels   que   PTB,   PB1,   DH,   WW,   FHA,   SH3,   PX,   FERM,   BRO1,   LIM   ou   bien   des   domaines   catalytiques  comme  des  domaines  PTP,  protéases,  Guk  ou  des  Ser/Thr  kinases  (liste  non   exhaustive)   (Figure   27).   Cette   hétérogénéité   de   domaines   permet   aux   protéines   d’interagir   de   manière   polyvalente   avec   leurs   partenaires   et   de   participer   de   façon   efficace  à  diverses  voies  de  signalisation  (19).  Ces  protéines  présentent  alors  autant  de   points   de   régulation   dans   le   système   très   complexe   et   imbriqué   des   voies   de   signalisation  chez  les  organismes  supérieurs.  

Pour  certaines  de  ces  protéines,  les  domaines  PDZ  forment  avec  d’autres  domaines  des   supramodules.   Ils   sont,   au   même   titre   que   les   tandems,   des   entités   structurales   distinctes  qui  ont  des  propriétés  propres  d’interaction.  Peu  de  ces  supramodules  ont  été   structuralement  caractérisés  à  ce  jour.    

     

     

  Figure  27  :  Exemples  de  protéines  possédant  un  ou  des  domaines  PDZ.    

Cette  figure  illustre  la  nature  modulaire  et  la  variété  des  domaines  d’interaction  protéique.  Les  domaines   PDZ  sont  représentés  par  des  ellipses  violettes.  Sont  aussi  représentés  :  Ank,  ankyrin  repeats;  CaM  kinase,   calmodulin-­‐dependent  kinase  (CaMK)-­‐like  domain;  DIL,  dilute  domain;  FABD,  FAD  binding  domain;  FHA,   forkhead-­‐associated   domain;   GK,   guanylate   kinase-­‐like   domain;   L27,   domaine   initiallement   trouvé   dans   LIN2   et   LIN7;   NADB,   NAD-­‐binding   domain;   NO,   nitric   oxide;   PTB,   phosphotyrosine-­‐binding   domain;   RA,   RAS  association  domain;  RapGAP,  Rap  GTPase-­‐activating  protein;  SAM,  sterile  #  motif;  SH3,  Src  homology   3  domain;  WW,  domain  ;  ZU5,  domain  présent  dans  ZO-­‐1  et  dans  le  récepteur  netrine  UNC5.  Les  protéines:   Dlg;   discs   large;   GRIP1,   glutamate-­‐receptor-­‐   interacting   protein   1;   LIN7,   lin7   homologue;   LIN10,   lin10   homologue;   nNOS,   neuronal   nitric   oxide   synthase;   PICK1,   protein   interacting   with   C-­‐kinase   1;   PSD-­‐93,   postsynaptic   density   protein   93;   PSD-­‐   95,   postsynaptic   density   protein   95;   SAP97,   synapse-­‐associated   protein  97;  SAP102,  synapse-­‐associated  protein  102;  Shank,  SH3  and  ankyrin  repeat-­‐containing  protein;   SPAR,  spine-­‐associated  RapGAP;  S-­‐  SCAM,  synaptic  scaffolding  molecule;  ZO-­‐1,  zona  occludens  protein  1.  

D’après  Kim  et  al  (2004)  (361).  

       

a. Supramodules de reconnaissance

 

Parmi   les   supramodules   de   reconnaissance,   la   protéine   α-­‐syntropine   possède   un   domaine  PDZ  et  un  domaine  PH  qui  interagissent  de  manière  synergique  avec  les  lipides   et  améliore  l’affinité  du  supramodule  pour  les  lipides  (362).  

Comme   nous   l’avons   vue   précédemment,   la   famille   très   étudiée   des   protéines   MAGUK   est   caractérisée   par   la   présence   d’un   supramodule   PDZ-­‐SH3-­‐Guk.   Elle   comprend   de   nombreuse  protéines  telles  que  ZO-­‐1  à  ZO-­‐3,  MPP-­‐1  à  MP-­‐7,  CASK,  DLG-­‐1  5  et  CARMA-­‐1   à  -­‐3  (Figure  28).    Nous  avons  vu  que  l’affinité  du  domaine  PDZ  pour  certains  partenaires   est  dépendante  de  la  présence  des  domaines  adjacents  SH3-­‐Guk  dans  la  famille  MAGUK.   De  manière  réciproque,  l’interaction  du  partenaire  GukHolder  de  la  protéine  DLG  avec   les  domaines  SH3-­‐Guk  est  elle  même  dépendante  de  la  présence  du  domaine  PDZ  au  sein   du  supramodule  et  de  la  fixation  d’un  PBM  (363,  364).  Cette  régulation  intramoléculaire   n’est  pas  due  à  de  simples  effets  de  gêne  stérique  mais  à  des  propriétés  particulières  de   liaisons   des   partenaires   au   sein   du   supramodule   (356,   363).   Ceci   est   un   très   bon   exemple   pour   illustrer   comment   des   propriétés   d’interactions   propres   émergent   de   l’association  de  différents  domaines  au  sein  d’un  supramodule.    

  Figure  28  :  Organisation  en  domaine  des  protéines  MAGUK  et  structure  du  complexe  ZO-­1   PDZ3-­SH3-­GuK/peptide  Cx4.

(A)  Schéma  sur  l’organisation  en  domaine  des  protéines  MAGUK.  Le  «  supra  domaine  »  PDZ3-­‐SH3-­‐Guk  est   mis  en  évidence  avec  un  carré  en  pointillés.  (B)  Structure  du  complexe  ZO-­‐1  PDZ3-­‐SH3-­‐GuK/peptide  Cx45.   Le  domaine  PDZ3  est  indiqué  en  orange,  le  domaine  SH3  en  bleu,  le  domaine  Guk  en  vert.  Le  cinquième   brin  du  domaine  SH3  et  le  brin  suivant  du  domaine  Guk  sont  représentés  en  magenta  et  le  peptide  Cx45   en  rose.  D’après  Pan  et  al  (2011)  (356).    

 

b. Supramodules à activité catalytique

 

Certains   domaines   PDZ   sont   également   associés   à   des   domaines   catalytiques.   Le   seul   exemple  connu  à  ce  jour  de  régulation  catalytique  par  des  domaines  PDZ  est  celui  de  la   famille   de   sérine-­‐protéases   HtrA,   impliquée   dans   le   processus   de   contrôle   et   de   dégradation   des   protéines   mal   repliées   ou   endommagées   chez   les   bactéries   et   organismes   eucaryotes.   HtrA   est   composée   d’un   domaine   protéase   et   de   un   ou   deux   domaines  PDZ.    

La   protéase   DegS   d’E.  coli   de   la   famille   HtrA   est   inhibée   de   façon   allostérique   par   son   domaine  PDZ  adjacent  et  la  fixation  d’un  PBM  rétablit  l’activité  enzymatique  (365).  Cette   régulation  a  également  été  démontrée  pour  des  protéines  homologues  bactériennes  et     humaines  (366-­‐369).  Bien  que  plusieurs  structures  de  ces  protéines  aient  été  obtenues   sous   différentes   formes,   Apo   ou   Holo,   le   mécanisme   moléculaire   sous-­‐jacent   à   cette   régulation   est   très   complexe   et   n’est   pas   encore   pleinement   compris,   d’autant   que   certaines   de   ces   protéases   adoptent   différents   niveaux   d’oligomérisation,   via   des   interactions   PDZ   -­‐   PDZ   intermoléculaires,   dont   va   dépendre   l’activité   enzymatique   (370).