PAS, je vous « hème »

Les domaines PAS peuvent avoir comme cofacteur un hème. Ils se divisent en 2 catégories selon le type d’hème fixé : b ou c. Les PAS liant un hème de type c sont moins bien caractérisés, et peuvent se retrouver au niveau extracytoplasmique (Henry and Crosson, 2011). Nous verrons plus précisément les caractéristiques des domaines liant un hème de type b, dont le fonctionnement est bien caractérisé.

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a) PAS à hème de type b

Ils ont été caractérisés à partir de la protéine FixL, un capteur-kinase présent chez différentes espèces d’α-protéobactéries, particulièrement Rhizobium. Le système à deux composants FixL/FixJ contrôle l’expression des gènes responsable de la fixation d’azote en fonction de la concentration d’oxygène. En effet la présence d’oxygène est délétère pour la nitrogénase et donc la présence d’oxygène sera perçue par FixL pour éteindre l’expression des gènes impliqués dans la fixation d’azote (Monson et al., 1995). Ce système a été très étudié chez Bradyrhizobium japonicum et Sinorhizobium meliloti.

Un autre membre de cette famille provient de la protéine DOS (Direct Oxygen Sensor) d’E. coli, une phosphodiestérase régulée par l’oxygène, qui va catalyser le clivage du di-GMP cyclique en pGpG (Tanaka et al., 2007). Dans les deux cas, la liaison de l’hème se fait sur un résidu histidine conservé situé dans l’hélice Fα (Fig. 47), et d’autres résidus seront nécessaires à la perception du gaz lié à l’hème (El-Mashtoly et al., 2008).

On peut aussi citer la protéine NPAS2, qui contient deux domaines PAS (ayant chacun un hème) et un domaine de liaison à l’ADN. Il s’agit d’un facteur de transcription eucaryote fonctionnant en hétérodimère avec un autre facteur de transcription (ARNT-like1 ou BMAL1 contenant aussi 2 domaines PAS) impliqué dans le fonctionnement de l’horloge circadienne. Dans ce cas, c’est la présence de monoxyde de carbone qui va empêcher l’hétérodimérisation et donc la fonction (Gilles-Gonzalez and Gonzalez, 2004).

b) Perception de l’oxygène

De très nombreuses études ont été menées afin de définir les mécanismes de perception de l’oxygène et d’autres gaz par des PAS à hème. Nous nous intéresserons ici au domaine PAS de FixL qui régule son activité kinase.

Dans ces domaines PAS, l’hème est inclus dans une poche relativement hydrophobe, et son fer est pentacoordiné (Gong et al., 1998). Bien que le groupement hème présent dans ces domaines PAS puisse être sous forme ferrique (Fe3+) ou sous forme ferreuse (Fe2+, Möglich et al., 2010) il semblerait que l’état rédox du fer n’influe pas sur les mécanismes de signalisation (Gong et al., 1998) ; ainsi les différences entre l’une et l’autre de ces formes ne seront pas mises en exergue. Il est intéressant de noter qu’il existe un système qui percevrait justement cette différence d’état rédox du fer de l’hème chez les bactéries du genre Brucella et dont un homologue existe chez les Bordetellae (Carrica et al., 2012; Kaut et al., 2011).

Le ligand physiologique qui inactive le système est le dioxygène ou peut être le monoxyde d’azote. L’O2 permet l’inactivation de la forme ferreuse qui représenterait l’état

physiologique. L’affinité pour ces gaz est dans la gamme attendue pour un hème dans un

Figure 47 Représentation du domaine PAS à hème de FixL (code pdb : 1LSW). En jaune le résidu histidine nécessaire à la fixation de l’hème (en vert).

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environnement hydrophobe, mais les constantes de vitesse d’association et de dissociation sont assez faibles, ce qui permettrait une meilleure régulation de l’activité kinase en empêchant un réarrangement structural trop rapide ou fréquent (Dunham et al., 2003; Gong et al., 1998).

La coordination axiale se fait par le groupement imidazole d’un résidu histidine de l’hélice Fα (His194 pour RmFixL, His200 pour BjFixL, Miyatake et al., 2000). Sa substitution entraîne la perte de fixation de l’hème et génère un système actif par défaut qui n’est plus régulé par l’oxygène (Monson et al., 1995). Les autres résidus en interaction avec l’hème vont quant à eux permettre de définir la sensibilité aux différents gaz qui peuvent se lier à l’hème ainsi qu’influer sur leur cinétique de fixation et sont majoritairement situés au niveau de la boucle liant l’hélice Fα au brin Gβ mais aussi dans le feuillet béta (Gong et al., 1998; Miyatake et al., 2000).

L’association ou la dissociation de l’oxygène va entraîner un changement structural qui sera retransmis à la kinase pour réguler son activité. Il s’agit premièrement d’un réarrangement de la distribution des ponts hydrogène entre le domaine PAS et l’hème. Ce réarrangement aura une répercussion sur la structure et serait transmis au niveau de la boucle FG du domaine PAS (un déplacement de l’ordre de 2Å, Dunham et al., 2003). Cette boucle serait en contact électrostatique avec le domaine kinase et permettrait ainsi une transmission directe du signal (Miyatake et al., 2000). Ce type de réarrangement au niveau de la boucle FG serait un mécanisme commun aux domaines PAS à hème (Ito et al., 2009). Ceci peut être étendu aux domaines PAS liant un ligand dans la mesure où la liaison implique là aussi un réarrangement au niveau de cette boucle (Möglich and Moffat, 2007; Pandini and Bonati, 2005).

Un résidu critique pour cette signalisation est un résidu arginine distal, premier résidu du brin Gβ (Gilles-Gonzalez and Gonzalez, 2005). Il s’agit d’un résidu conservé dans les senseurs FixL de différentes espèces et DOS d’E. coli, indiquant son importance fonctionnelle (Dunham et al., 2003). Ce résidu va permettre une meilleure efficacité de répression par l’oxygène comparé aux autres gaz ayant cet effet. En effet, il sert à améliorer la coordination de l’oxygène en interagissant directement avec ce dernier (Gilles-Gonzalez et al., 2006). En son absence, l’affinité pour l’O2 décroit mais surtout la cinétique de fixation est très fortement

diminuée (Dunham et al., 2003). La chaîne latérale de cette arginine se situerait dans la zone hydrophobe en présence d’oxygène et s’en écarterait en son absence, générant des ponts hydrogène avec des partenaires différents (Fig. 48, Gilles-Gonzalez et al., 2006). Il en résulterait un changement conformationnel transmis à la boucle FG induisant son déplacement comme décrit ci-dessus.

Figure 48 : Alignement structural des formes active (en vert, code PDB : 1XJ3 ) et inactive (en jaune, code PDB : 1LT0) de FixL de

Bradyrhizobium japonicum. L’histidine 220 de

l’hélice Fα servant à la coordination axiale de l’hème est représentée en rouge. L’arginine distale 220 du brin Gβ est représentée en bleu pour l’état actif et en cyan pour l’état inactif (O2). Le déplacement de la boucle FG (à gauche)

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Bien que les résidus décrits ici ne correspondent pas à la totalité des résidus impliqués dans la perception de l’oxygène et la signalisation en découlant (Gilles-Gonzalez et al., 2006), il s’agit des résidus les plus critiques et conservés, dont la substitution génère des systèmes très peu réactifs. L’implication d’autres résidus, situés dans la boucle FG et l’hélice Fα particulièrement, dans la perception des différents gaz ne sera pas discutée plus en détail. Cette localisation se situe dans ce qui est sans doute la zone critique de signalisation de la famille PAS, le « noyau EFG » (Gong et al., 1998).

On ne peut pas exclure que ces réarrangements structuraux soient aussi transmis au travers de l’hélice qui fait la jonction entre le domaine PAS et le domaine kinase au vu de la construction d’un système hybride fonctionnel utilisant un domaine LOV pour réguler la kinase de FixL (cf. C. Transduction du signal, Möglich et al., 2009b).