Les domaines HAMP sont composés d’un paquet de quatre hélices α parallèles, deux provenant de chaque monomère. Ces hélices sont définies par une répétition d’heptades et la présence de résidus hydrophobes en positions ‘a’ et ‘d’. Un résidu glycine conservé marque la fin de la première hélice et le début de la boucle précédant la seconde hélice. Un résidu glutamate conservé délimite quant à lui le début de la seconde hélice du HAMP. Lorsque le domaine est observé du dessus, le paquet d’hélices présente deux interfaces, une interface entre deux hélices proches, et une interface entre hélices plus éloignées (Bhate et al., 2015). Les domaines HAMP peuvent être échangés entre récepteurs (ex : entre l’histidine-kinase EnvZ et le chimiorécepteur Tar ou entre les deux histidine-kinases CpxA et NarX) permettant la production de chimères fonctionnelles mais qui présentent une activité altérée. Deux modes d’action peuvent être distingués pour les domaines HAMP. Tout d’abord un mode d’action mécanique, permettant de transmettre les changements de conformation entre deux domaines (signalisation en cis). Un second mode d’action est interactif grâce à la fixation spécifique aux domaines effecteurs (signalisation en trans) (Hulko et al., 2006).
Différents modèles ont été proposés pour expliquer la transduction de signal au sein d’une protéine grâce à ce domaine de signalisation.
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1. Le modèle ‘gearbox’
Le mécanisme de boîte de vitesses (‘gearbox’) suggère que le domaine HAMP est une structure bistable présentant deux états iso-énergiques proches qui s’inter-convertissent grâce à la rotation des hélices. Ainsi, deux conformations du HAMP ont pu être déterminées, une conformation knobs-to-knobs (organisation ‘x-da’) et knobs-into-holes (Fig 57) (Hulko et al., 2006; Mondéjar et al., 2012; Bhate et al., 2015).
Figure 57 : Représentation schématique du modèle gearbox. Le passage d’une conformation des hélices en ‘x-da’ à une conformation knobs-into-holes se fait grâce à une rotation de 26° des quatre hélices, indiquée par des flèches. La conformation ‘x-da’ nécessite des résidus spécifiques à trois positions dans chaque hélice pour former un noyau hydrophobe, une dans la géométrie ‘x’ (en rouge) et deux dans la géométrie ‘da’ (bleu). Les knobs-into-holes canoniques utilisent deux résidus centraux dans la même géométrie. Extrait de Mondéjar et al., 2012.
La conformation en ‘knobs-to-knobs’ présente deux géométries distinctes, la couche ‘x’ dans laquelle les chaines latérales pointent directement vers l’axe central du super-enroulement, et la couche ‘da’ dans laquelle les chaines latérales pointent à l’extérieur pour former un anneau d’interaction de résidus entourant une cavité centrale. Dans le domaine HAMP, les couches ‘x’ et ‘da’ alternent le long des hélices, la structuration du domaine HAMP est possible en combinant les couches ‘x’ de l’hélice α1 avec les couches ‘da’ de l’hélice α2 et inversement pour former des couches mixtes ‘x-da’. Il a alors été proposé que les domaines HAMP permettaient la transduction de signal par modification de leur arrangement des hélices soit en knobs-into-hole, soit en knobs-to-knobs (Hulko et al., 2006).
2. Le modèle de paquet dynamique
Le modèle du paquet dynamique (‘dynamic bundle model’) propose qu’un état de signalisation/conformation du HAMP serait significativement plus désordonné que l’autre. Ainsi, un domaine HAMP bien structuré et compact contraint le domaine en aval dans un état inactif. Un domaine HAMP mal structuré, moins compact, permet l’activation des domaines en aval (Bhate et al., 2015).
3. Le mécanisme de cisaillement diagonal
Ce modèle propose que le domaine HAMP alterne entre un état dans lequel les hélices sont compactes et un second dans lequel ces hélices s’étalent en partie C-terminale et forment un paquet instable (Bhate et al., 2015).
4. Exemple de transduction de signal dépendant d’un HAMP : PhoQ
Pour illustrer certains éléments exposés dans cette partie sur la transduction par les domaines HAMP, nous prendrons l’exemple du domaine HAMP du senseur-kinase PhoQ qui a été étudié par mutagénèse et grâce à des analyses de cysteine scanning. Il semblerait que
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l’activation du système dépende d’une rotation accompagnée d’un mouvement d’écartement de la première hélice du domaine HAMP. Au niveau de ce domaine, est retrouvée une région riche en résidus chargés. Il a été supposé que cette région puisse interagir directement avec le domaine CA et ainsi en le séquestrant empêcher l’activité kinase. Les changements de conformation identifiés au niveau du domaine HAMP vont permettre de déstabiliser cette interaction, de libérer le domaine catalytique et donc permettre l’activité kinase (Fig. 58) (Matamouros et al., 2015).
Figure 58 : Modèle d’activation de PhoQ. En absence de signal activateur (gauche), le domaine périplasmique est en contact avec la membrane par l’intermédiaire de cations divalents (point vert) se fixant entre le patch acide (représenté en rouge) et les têtes des phospholipides chargés négativement. Le domaine catalytique est maintenu à l’écart du domaine DHp (état de répression de l’activité kinase), menant à l’activité phosphatase. Les interactions entre le domaine CA et le DHp mais également les interactions au sein du domaine HAMP (en conformation ‘a-d’) et de la boucle connectant le CA au DHp participent à la stabilisation de l’état de répression. Après la perception d’un signal activateur (droite), un changement de conformation au niveau des domaines périplasmiques a lieu et est propagé à travers la région transmembranaire permettant la déstabilisation du domaine HAMP avec la mise en place de mouvement de rotation qui vont permettre probablement au HAMP d’adopter la conformation ‘x-da’. Les interactions entre les domaines HAMP, DHp et CA sont déstabilisées, libérant ainsi le domaine CA pour favoriser l’activité kinase. Extrait de Matamouros et al., 2015.
Des exemples ont été choisis pour illustrer la transduction d’information au sein de protéines de signalisation et seront présentés dans les parties suivantes.
D. Transduction de signal d’un domaine PAS jusqu’à la kinase : l’exemple de