Interaction entre STIM1 et Orai1

Il est ta lit ue, à l tat de epos, STIM1 forme des dimères et son domaine EF-hand est occupé par le Ca2+. De plus, Orai1 se trouve dans sa conformation fermée et les régions d'activation de Orai1 par STIM1 ne sont pas exposées (Fahrner et al., 2013) (Figure I.30.A). La première étape de la as ade d a ti atio pa “TIM est la fo atio de dimères et/ou d'oligomères. En effet, la dissociation du Ca2+ des domaines EF-hand permet le changement de conformation de ces derniers ai si ue du otif “AM e posa t les do ai es CC h d opho es ui pe ette t l i te a tio des protéines STIM1 (Stathopulos et al., 2006, 2009). Ces changements conformationnels au niveau de l e t it N-terminale vont ensuite être transmis au domaine TM. En effet, les régions TM se croisent avec un certain angle au sein de la MP qui diminue suite à la déplétion du RE, permettant de rapprocher les moitiés de chaque dimère entre eux (Ma et al., 2015) (Figure I.30.B). Enfin, les extrémités C-terminales vont également subir de nouveaux changements conformationnels

accompagnés de l'oligomérisation des protéines STIM1 préalablement dimérisées (Figure I.30.C). D ailleu s, le do ai e CAD/“OA‘ de la gio C-terminale de STIM1 a été rapporté comme étant un d te i a t esse tiel pou l oligo isatio de “TIM (Covington et al., 2010). En effet, les do ai es CC et CC au sei des otifs CAD/“OA‘ joue t u ôle p do i a t da s l ta lisse e t de l tat oligo is e pa all le a e le do ai e d'oligomérisation de STIM1 ou SHD (Derler et al., 2013a; Fahrner et al., 2014; Muik et al., 2008; Stathopulos et al., 2013). Fi ale e t, l e t it C- te i ale de “TIM adopte u e o fo atio te due da s l tat a ti afi d e pose es do ai es CAD/“OA‘ et d i te agi a e O ai Figure I.29.C). A noter que, ce domaine SOAR est suffisant pour le couplage et l a ti atio de O ai , et doit p o a le e t i pli ue la liaiso aussi ie de l e it C-te i ale ue de l e t it N-terminale de Orai1.

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Figure I.30. Le couplage STIM1-Orai1 et l'activation des canaux CRAC. A.B. Processus d'oligomérisation de STIM1. Lors de la déplétion des stocks calciques du RE, le Ca2+ _{se détache des}

domaines EF-hand entraînant alors un changement de conformation de la protéine STIM. La protéine s'oligomérise sous le contrôle du motif CC1. C. Couplage avec Orai1 et activation du canal calcique. L'activation du ca al O ai i pli ue l i te a tio des domaines CC2 de STIM1 et les extrémités C- et N- terminales de Orai1. Adaptée de (Derler et al., 2016).

b. Couplage entre STIM1 et Orai1

Le couplage de STIM1, suite à son activation, avec le canal Orai1 implique des composants clés de l'extrémité C-terminale de STIM1 et des deux extrémités N- et C-terminales de Orai1. Co e a t les gio s de l e t it C-terminale de STIM1, il a été montré que la région activatrice CAD/SOAR est suffisante pour activer les canaux Orai. De plus, l'extrémité C-terminale de Orai1 est

nécessaire pour le couplage direct avec l'extrémité C-terminale de STIM1 puisque celle-ci s'étend dans le cytosol devenant ainsi accessible à STIM1 pour le couplage (Hou et al., 2012). Finalement, l'interaction entre ces deux extrémités C-terminales a été décrite plus précisément suite à l'identification par résonnance magnétique nucléaire (RMN) des résidus spécifiques de l'extrémité C- terminale de Orai1 responsables du couplage avec l'extrémité C-terminale de STIM1. Brièvement,

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Stathopulos et son équipe ont mis en évidence plusieurs résidus chargés positivement (K382, K384, K385 et K386), aromatiques (Y361 et Y362) ou hydrophobes (L347, L351, L373 et A376) comme acides aminés clés de STIM1 pour interagir avec Orai1. De même, le canal Orai1 inclut des résidus

hydrophobes (L273, L276, R281, L286 et R289) dans son extrémité C-terminale, formant ce que les auteurs ont appelé le SOAP (STIM1-Orai1 Association Pocket) (Stathopulos et al., 2013) (Figure I.29.C). De ce fait, le couplage entre STIM1 et Orai1 initié entre l'extrémité C-terminale de Orai1 et le domaine CC2 de STIM1 implique de manière prédominante des interactions hydrophobes aussi bien

que la formation de liaisons ioniques (Stathopulos et al., 2013).

Par ailleurs, Park et son équipe o t o t u e plus du do ai e C-terminale de Orai1, le domaine N-terminal agit comme un partenaire de liaison pour STIM1 (Park et al., 2009). Néanmoins, ce dernier est nécessaire mais pas suffisant au couplage entre les deux protéines. Toutes les protéines Orai possèdent une région hautement conservée au niveau de l'extrémité N-terminal

nommée ETON. Cette région fonctionne comme un partenaire de liaison pour STIM1 et fournit des composants électrostatiques ayant un impact sur la structure du pore (Derler et al., 2013a).

Le couplage STIM-O ai suite à la d pl tio des sto ks al i ues sulte e la fo atio d u o ple e oligo es/h t o es da s le uel la stœ hio t ie e a te des sous-unités interagissant est pas e o e totale e t lai e. Plusieu s tudes o t appo t ue l a ti atio de O ai d pe d du nombre de protéines STIM1 qui vont interagir (Hoover and Lewis, 2011; Li et al., 2011; Scrimgeour et al., 2009). E effet, l aug e tatio du appo t de l e p essio h t ologue de “TIM pa appo t à Orai1 a premièrement été montrée par Scrimgeour et son équipe comme augmentant la magnitude du ou a t ai si ue l i a tivation des CRAC, mais aussi la sélectivité aux cations divalents (Scrimgeour et al., 2009, 2014). Puis, des études de patch-clamp ont rapporté que huit protéines “TIM taie t essai es pou o te i l a ti atio et l i a ti atio a i ale du ou a t C‘AC suggérant un rapport de STIM1 par rapport à Orai1 de 2:1 (Hoover and Lewis, 2011; Li et al., 2011). La résolution de la structure du domaine SOAP par RMN a fi ale e t l le ouplage d u di e STIM1 aux extrémités C-terminales de deux molécules Orai1, suggérant un rapport de STIM1 par appo t à O ai de : au sei d u o ple e a tif (Stathopulos et al., 2013) (Figure I.31). De ce fait, si ol ules “TIM s atta he t pote tielle e t à si p ot i es O ai ou, e d aut es te es, u dimère STIM1 interagit avec un des trois dimères O ai . E fi , l tude récente menée par Zhou et son équipe suggère une interaction unimoléculaire entre une sous-unité Orai1 et une molécule “TIM d u di e. E effet, les auteu s o t is l h poth se ue le se o d “TIM du di e interagit probablement avec une autre sous-u it d u he a e O ai adja e t, off a t ainsi la possi ilit au a au O ai de s o ga ise e clusters (Zhou et al., 2015).

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Figure I.31. Modèle moléculaire et stœ hiométrie entre les protéines Orai1 et STIM1. Un dimère de STIM1 lie deux sous- unités Orai1 du canal hexamèrique afin de l activer. Adaptée de : (Zhou et al., 2015).

c. Ouverture des canaux Orai1

L ou e tu e du a al se p oduit suite à la liaiso de “TIM au e t it s C- et N-terminales de Orai1, entraînant ainsi un changement conformationnel des protéines Orai (pour revue : (Derler et

al., 2016)). Les hélices des domaines TM1 de chaque protéine Orai1, formant le pore, sont p o a le e t a a g es suite à u ha ge e t de l o ie tatio des sidus les constituant, permettant ainsi au Ca2+ de passer à travers le pore. Néanmoins, le changement structural qui se produit dans le complexe des canaux Orai1, et particulièrement dans les hélices TM1 est encore inconnu. Cependant, plusieurs études ont rapportées certains résidus comme primordiaux pour garder les canaux Orai1 dans leur conformation fermée (Figure I.32.A . Il s agit ota e t du sidu V102 mentionné précédemment et dont la mutation conduit à des canaux constitutivement activés

(McNally et al., 2012; Zhang et al., 2011). Mis à part les résidus du domaine TM1, il est également connu que plusieurs résidus dans les domaines TM2, TM3 mais aussi TM4 puissent empêcher l ou e tu e ou o t i ue au o t ôle de la o fo atio fe e du po e e s ils e font pas partie des acides aminés qui alignent ce dernier. En effet, leur mutation altère les propriétés dou e tu e du po e ou o duit à des a au a tifs o stituti e e t. De e fait, o peut ite le résidu L138, dans le domaine TM2 qui permet de garder les canaux Orai1 dans un état fermé (Endo et al., 2015) ; ou encore les résidus W176, G183 et E190 dans le domaine TM3 qui modulent la s le ti it et l ou e tu e des a au O ai (Srikanth et al., 2011; Yamashita et al., 2007). Enfin, P245, localisé au niveau du domai e TM , est i pli u da s le o t ôle de l tat fe de O ai alg le

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fait u il soit loig du po e (Nesin et al., 2014; Palty and Isacoff, 2016). Il semblerait en effet que la liaison simultanée de STIM1 aux extrémités C- et N-terminales de Orai1 initie un réarrangement synchronisé des acides aminés des hélices TM aboutissant à la conformation ouverte. De ce fait, la liaiso de “TIM à O ai pou ait alt e l o ie tatio des e t it s C- et N-terminales, déstabilisant pa tielle e t la o fo atio fe e, et pe etta t l ou e tu e du a al ia la o ie tatio des domaines TM1 (Figure I.32.B).

Figure I.32. Mod le pou l’ouve tu e des a au O ai . A. Co fo atio fe e. Dans cette conformation, les domaines TM1 empêchent le passage des ions. La conformation du domaine TM1 est ajustée par les domaines TM2, TM3 et TM4. B. Conformation ouverte. Le couplage de STIM1 à Orai1 permet le changement conformationnel de Orai1. Cette liaison permet la réorientation des domaines TM1 permettant le passage des ions Ca2+. Adaptée de (Derler et al., 2016).

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