De longs coiled coils ont été identifiés immédiatement en amont des domaines DHp des senseurs-kinases et seraient impliqués dans la transduction d’information entre les domaines périplasmiques jusqu’à la kinase. Ces enroulements d’hélices ont été annotés comme des hélices de signalisation ou ‘S-helix’ et sont retrouvés joignant divers domaines de signalisation, tels que les domaines PAS, GAF, HAMP, les hélices transmembranaires, les domaines receveur, GGDEF (diguanylate cyclase), EAL (c-di-GMP phosphodiesterase) et les serine/thréonine-kinases (Gao and Stock, 2009). Ces hélices de signalisation sont retrouvées dans des milliers de protéines de signalisation (Liu et al., 2014). Des études par mutagénèse de ces S-helices ont permis de proposer un modèle dans lequel ces hélices fonctionnent comme un interrupteur en empêchant l'activation constitutive des domaines de signalisation en aval (Anantharaman et al., 2006).
1. Différents mouvements impliqués dans la transduction de signal via les coiled coils
Pour permettre la transmission de signal, les coiled coils peuvent être sujets à différents types de mouvement tels que le piston, la rotation, le cisaillement, ou une combinaison de ces différents mouvements (Matthews et al., 2006; Möglich et al., 2009a).
Nous illustrerons dans cette partie les trois mouvements principaux, à l’aide de quelques exemples.
a. Le modèle de piston
Le modèle de piston a principalement été décrit dans les chimiorécepteurs. En effet, l’étude de Tar, le récepteur à l’aspartate, montre que la fixation d’un ligand agoniste génère un mouvement de piston d’environ 1 Å au travers de la membrane vers le cytoplasme (cf partie V.F.1. pour plus de détails sur la transduction d’information au sein de Tar) (Bhate et al., 2015).
Le modèle de piston a également été proposé pour la transmission d’information au sein de plusieurs senseurs-kinases de systèmes à deux composants. Les structures cristallographiques des domaines périplasmiques de NarX (système NarXL) et de TorS (système TorTSR) supportent le fait que la transduction de signal fait intervenir un mouvement de piston au niveau membranaire (Cheung and Hendrickson, 2009; Moore and Hendrickson, 2009). Le senseur-kinase homodimérique NarX est impliqué dans le contrôle de la réponse respiratoire anaérobie chez diverses bactéries suite à la perception de nitrite et nitrate. Le module de
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signalisation transmembranaire de NarX est semblable à celui des chimiorécepteurs, avec un domaine périplasmique dimérique constitué d’un paquet de quatre hélices qui transmettent le signal à quatre hélices transmembranaires. Un domaine HAMP cytoplasmique fait suite à ces hélices. En comparant les formes ligandée et non ligandée, il a été mis en évidence que la fixation de ligand permet le déplacement de l’hélice C-terminale vers le périplasme d’environ 1 Å relativement à l’hélice N-terminale, caractérisant ainsi un mouvement de piston (Cheung and Hendrickson, 2009). Le système TorTSR permet de contrôler la respiration anaérobie suite à la perception de trimethylamine-N-oxide (TMAO), un accepteur terminal d’électrons, par la protéine de liaison périplasmique TorT. Cette dernière va interagir avec TorS, le senseur-kinase homodimérique. En comparant également les structures cristallographiques ligandée ou non, il a été mis en évidence la présence d’un mouvement de piston pour permettre la transduction d’information (Falke and Erbse, 2009; Moore and Hendrickson, 2009). Le système à deux composants DcuSR est sensible aux C4-dicarboxylates et di-anions proches. Le senseur-kinase DcuS est composé d’un domaine PAS périplasmique, de deux segments membranaires (TM1 et TM2), d’un domaine PAS cytoplasmique et d’un module kinase, par monomère. Des expériences d’accessibilité de cystéine et de cysteine scanning ont permis de mettre en évidence un mouvement de piston symétrique des deux segments transmembranaires TM2 suite à la perception de fumarate par les domaines PAS périplasmiques. Ce mouvement permettrait la sortie de 4 résidus, soit un déplacement de 4 à 6 Å vers le périplasme (Monzel and Unden, 2015). Le modèle de piston a également été proposé pour le système à deux composants CitA/CitB sensible au citrate et impliqué dans l’induction des gènes de fermentation du citrate en conditions anoxiques (Fig. 53) (Sevvana et al., 2008).
Figure 53 : Transduction de signal via des mouvements de piston transmembranaires. (a) Comparaison des formes non ligandée ou ligandée de CitA. (b) Modèle hypothétique de transduction de signal suite à la fixation d’un ligand faisant intervenir un mouvement de piston des segments transmembranaires TM2. Sans fixation de ligand, le domaine PAS est dans sa forme relâchée (gauche). La fixation de citrate permet la contraction du domaine PAS favorisant les mouvements de piston et par conséquent la transduction de signal jusqu’à la partie cytoplasmique. Extrait de Sevvana et al., 2008.
b. Le modèle de cisaillement
L’étude des domaines senseurs de la kinase hybride BT4663 de Bacteroides
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non saturé) a permis de proposer un mouvement de cisaillement pour la transduction d’information au sein de la protéine (Fig. 54). Ainsi, la structure cristallographique révèle un changement de conformation entre les domaines extracytoplasmiques avec et sans ligand. La fixation de ce dernier induirait un mouvement de cisaillement (de fermeture) au niveau de la partie C-terminale du domaine (domaine Y_Y_Y) qui rapprocherait ces derniers d’environ 15 Å. Ce mouvement de fermeture serait transmis aux hélices transmembranaires jusqu’au domaine kinase pour permettre l’autophosphorylation (Fig. 55) (Lowe et al., 2012).
Figure 54 : Représentation des changements de conformation des domaines périplasmiques de BT4663 sous forme dimérique après la fixation de ligand (ΔUA-GlcNAc6S). A. A gauche, la forme non ligandée et à droite celle portant le ligand (représenté par des sphères). Les protomères sont colorés du N au C terminus, par un dégradé de bleu-rouge pour l’un, et en vert pour l’autre. B. Observation du dessous du domaine Y_Y_Y de la portion périplasmique en présence (rouge) ou en absence de ligand (gris). Les chaines A sont superposées pour montrer les mouvements au niveau de la chaine B. Extrait de Lowe et al., 1012.
Figure 55 : Représentation schématique illustrant le modèle de cisaillement permettant l’activation du senseur- kinase BT4663. La fixation de ligand induit un mouvement de fermeture en ciseau dans la partie C-terminale du domaine périplasmique représenté par des flèches rouges. Ce mouvement de cisaillement va favoriser le rapprochement des domaines kinase (A) ou le réarrangement du dimère de kinase pré-existant (B) et permettre son autophosphorylation et l’activation des gènes cibles. Extrait de Lowe et al., 2012.
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Le modèle de cisaillement a également été proposé pour le senseur-kinase PhoQ. Le système PhoPQ est sensible à divers signaux incluant le pH, des ions divalents et certains peptides cationiques et est impliqué dans la régulation de réponses essentielles telles que le transport d’ions ou la virulence. PhoQ présente un domaine HAMP cytoplasmique, suivi du domaine kinase. Le domaine PAS senseur périplasmique porte un patch de résidus acides proche de la membrane, lui permettant de fixer le Mg2+. La fixation de cet ion divalent permettrait de maintenir une interaction entre le domaine senseur et les têtes polaires des lipides chargées négativement. Lorsque la concentration extracellulaire en Mg2+ baisse ou lorsqu’un peptide cationique antimicrobien se fixe, l’interaction entre le domaine périplasmique et la membrane est interrompue. La transmission d’information se ferait par des mouvements de cisaillement au niveau du domaine senseur, couplés à un mouvement de rotation des hélices transmembranaires relayé aux hélices des domaines HAMP et DHp pour permettre un changement d’activité (Goldberg et al., 2010; Lemmin et al., 2013; Molnar et al., 2014; Bhate et al., 2015).
c. Le modèle de rotation
Des mouvements de rotation pour permettre la transduction de signal ont été observés pour le système LuxPQ impliqué dans le quorum sensing. LuxP est une protéine de liaison périplasmique qui fixe l’autoinducer-2 (AI-2) puis s’associe au domaine périplasmique de LuxQ, le senseur-kinase, qui est constitué de deux segments membranaires, d’un module kinase et d’un domaine receveur par monomère. La cascade de phosphorylation fait intervenir deux protéines supplémentaires, LuxU et LuxO qui sont respectivement une protéine de phosphotransfert et un régulateur de réponse. La fixation asymétrique de LuxP-AI-2 au domaine périplasmique de LuxQ induit une rotation des hélices transmembranaires nécessaire à la transmission d’information (Neiditch et al., 2006; Bhate et al., 2015).
La virulence de Staphylococcus aureus est régulée lorsque des peptides sécrétés (AIP pour ‘autoinducing peptides’) sont reconnus par le senseur-kinase AgrC du système à deux composants AgrCA. On retrouve des AIP agonistes ou antagonistes de la virulence. Les domaines senseurs comportant six segments transmembranaires sont reliés à la kinase d’AgrC par une jonction hélicale dont la conformation est impliquée dans la régulation de l’activité de la kinase. La fixation d’un agoniste ou d’un antagoniste va entrainer un mouvement de rotation des hélices précédant la kinase dans des directions opposées, permettant respectivement l’activation ou la répression de l’activité kinase (Fig. 56) (Wang et al., 2014).
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Figure 56 : Représentation schématique de l’effet de la liaison d’AIP sur la conformation des hélices entre les domaines senseur et kinase d’ArgC. La fixation d’AIP-I (agoniste) permet l’activation de la kinase grâce à un mouvement de rotation de 80° du linker TM-DHp dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. La fixation de l’antagoniste, AIP-II, induit un mouvement de rotation des hélices précédant la kinase de 30° dans le sens des aiguilles d’une montre conduisant à une diminution de l’activité kinase. Extrait de Wang et al., 2014.
Les différents exemples de mouvements présentés ci-dessus ont permis de donner un aperçu de la variété de changements de conformation qui permettent la transduction de signal et modifient l’activité des domaines effecteurs. La transmission d’information peut être plus complexe et faire intervenir une combinaison de ces différents mouvements au sein d’une même portion de la protéine ou de manière séquentielle, avec un domaine sujet à un type de mouvement et le domaine sous-jacent à un autre.
Nous allons à présent nous intéresser à la transduction de signal faisant intervenir les domaines HAMP constitués d’hélices α.