Le nombre de domaine PAS peut varier de un à six selon les protéines (Taylor and Zhulin, 1999) multipliant ainsi la diversité des stimuli pouvant être perçus ou permettant une régulation plus fine du système.
Les domaines PAS peuvent avoir une variété de fonctions au sein des protéines de transduction de signal. Ainsi, ce sont souvent des médiateurs pour permettre des interactions protéine-protéine (Chang et al., 2010). Nous pouvons citer comme exemples ceux de LuxQ, la protéine senseur impliquée dans le quorum sensing dont le domaine PAS périplasmique va interagir avec la protéine LuxP de liaison de soluté et de KinA, la kinase impliquée dans la sporulation de Bacillus subtilis suite à une carence nutritive. KinA présente trois domaines PAS cytoplasmiques qui joueraient un rôle structural favorisant la dimérisation de la protéine (Henry and Crosson, 2011; Winnen et al., 2013).
Les domaines PAS sont également impliqués dans la perception de divers stimuli chimiques ou physiques (Möglich et al., 2009a). Etant donné la conservation du repliement des PAS et le fait que ces domaines aient évolué pour fixer spécifiquement une molécule particulière, la plasticité de séquence de ces domaines qui partageraient un ancêtre commun est remarquable (Henry and Crosson, 2011). Dans cette partie, nous présenterons brièvement quelques exemples de domaines PAS liant des ligands spécifiques pour illustrer la grande diversité des stimuli pouvant être perçus.
1. Rôle senseur du domaine PAS : Perception de stimuli via la fixation de ligand
a. Perception extracytoplasmique
Les domaines PDC sont impliqués dans la perception de diverses molécules présentes dans le périplasme de la bactérie. Ainsi, le senseur-kinase PhoQ du système PhoP/PhoQ perçoit des cations divalents, grâce à une région riche en résidus acides (Cheung et al., 2008). La protéine senseur DcuS, du système DcuS/DcuR de E. coli impliqué dans la régulation du transport et du métabolisme des acides dicarboxyliques, présente deux domaines PAS, un périplasmique et l’autre cytoplasmique. Le domaine périplasmique permet la liaison d’acides di- carboxyliques en C4 grâce à la formation de ponts hydrogène impliquant plusieurs résidus de sa cavité. Le domaine PAS cytoplasmique, quant à lui, servirait de relais dans le transfert du signal (Witan et al., 2012; Monzel et al., 2013).
La protéine CitA est un homologue de DcuS et appartient au système CitA/CitB impliqué dans la régulation de l’expression des gènes nécessaires à la fermentation du citrate. Ce dernier, ainsi que l’isocitrate et l’acide tricarballylique, se fixent au PAS périplasmique de manière spécifique (Fig. 45) (Sevvana et al., 2008). Plusieurs résidus de la cavité du domaine PAS, particulièrement des acides aminés basiques, semblent être impliqués dans la fixation du ligand (Gerharz et al., 2003). CitA présente également un domaine PAS cytoplasmique dont la fonction reste à déterminer (Scheu et al., 2012).
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Figure 45 : Représentation sous forme dimérique du domaine PAS périplasmique de la protéine CitA (code PDB 2J80). Une molécule de citrate, colorée en bleu foncé est liée au niveau de la cavité du domaine PAS.
Le chimiorécepteur, McpB de B. subtillis présente deux domaines PAS périplasmiques. Le premier domaine serait impliqué dans la fixation d’asparagine grâce à des résidus arginine et tyrosine, par l’intermédiaire de ponts hydrogène (Glekas et al., 2010).
b. Perception cytoplasmique
1) Perception de l’oxygène via la fixation d’hème de type b et c
La protéine senseur FixL du système à deux composants FixL/FixJ, est retrouvée chez les α- protéobactéries et contrôle l’expression de diverses protéines fonctionnant dans les conditions d’anaérobie ou de micro-aérobie. Ce système est responsable de la fixation d’azote en fonction de la concentration d’oxygène. FixL perçoit l’oxygène via la fixation d’un cofacteur hème de type b au niveau d’un résidu histidine conservé de l’hélice Fα (Miyatake et al., 2000; Henry and Crosson, 2011).
Un hème de type c se lie au domaine PAS présent dans les protéines chimiorécepteurs de
Desulfovibrio vulgaris et G. sulfurreducens. La fixation s’effectue de manière covalente grâce
à deux résidus cystéine situés à l’extérieur du noyau du PAS (Henry and Crosson, 2011).
2) Perception de lumière
via la fixation d’un chromophore de type flavine
Les domaines PAS percevant la lumière ont été dénommés LOV pour ‘Light Oxygen Voltage’. Ils fixent la flavine au niveau d’un résidu cystéine conservé de l’hélice Eα. Un adduit covalent entre cette dernière et la flavine se forme suite à l’excitation de la protéine par la lumière bleue (Fig. 46, Zoltowski et al., 2009; Henry and Crosson, 2011; Rinaldi et al., 2012).
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Figure 46 : Représentation du domaine PAS de YtvA de B. subtilis à l’obscurité (à gauche, code PDB 2pr5) et à la lumière (à droite, code PDB 2pr6). Le FMN est coloré en bleu foncé et le résidu cystéine, coloré en vert, est impliqué dans la formation de l’adduit avec la flavine après l’excitation par la lumière bleue
via la fixation d’acide p-coumarique
La protéine PYP (pour ‘Photoactive Yellow Protein’) sert de prototype structural pour les domaines PAS photo-senseurs. Ce domaine lie de manière covalente un acide 4- hydroxycinnamique (acide p-coumarique) grâce à un résidu cystéine conservé au niveau de l’hélice Eα. Ce cofacteur est stabilisé grâce à des interactions polaires dans la poche du domaine PAS et confère à la protéine une sensibilité à la lumière bleue /proche des UV (Cusanovich and Meyer, 2003; Henry and Crosson, 2011).
3) Perception du potentiel rédox via la fixation de FAD
D’autres domaines PAS, fixant des cofacteurs de type flavine, ont été caractérisés. La flavine adénine dinucléotide (FAD) est sensible au changement de potentiel rédox. Lorsque la concentration en oxygène diminue, cette dernière sera réduite. Le récepteur Aer d’E. coli, impliqué dans l’aérotaxie, c’est-à-dire la mobilité de la bactérie dans un gradient d’oxygène, présente un domaine PAS cytoplasmique liant le FAD. Ce domaine PAS surveille ainsi l’état énergétique de la cellule par la perception du transport d’électrons. Un autre exemple de domaine PAS liant le FAD est celui de la protéine senseur NifL, également impliquée dans la perception de l’état rédox de la cellule. Ainsi, NifL est responsable de la régulation de la transcription des gènes impliqués dans la réponse à un changement de l’état rédox et de la concentration en ADP. Cette protéine présente deux domaines PAS, le premier lie la FAD, et perçoit ainsi le potentiel rédox, et le second aurait plutôt un rôle de transmission du signal vers le domaine C-terminal de la protéine, lui-même impliqué dans l’interaction avec NifA. Un modèle de signalisation propose que le changement de conformation soit initié par un changement de protonation de l’atome N5 du FAD, qui permet une réorganisation des ponts hydrogène dans la poche de liaison du FAD. Un signal structural est ensuite transmis à l’interface des feuillets β entre les monomères de domaine PAS. Contrairement aux senseurs d’oxygène basés sur l’hème qui détectent l’oxygène directement, NifL détecte donc l’oxygène à travers des changements de l’état rédox de son groupe prosthétique. Il a été montré que la fixation d’ADP à la partie C-terminale de NifL (domaine GHKL) permet de stabiliser le complexe NifL-NifA et est donc requis pour l’inhibition de l’activité de NifA, l’activateur
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transcriptionnel (Perry et al., 2005; Key et al., 2007; Slavny et al., 2010; Henry and Crosson, 2011).
4) Perception d’acide gras
Les acides gras peuvent également être perçus par les domaines PAS. Dans la structure cristallographique du régulateur de transcription RV1364C de Mycobacterium
tuberculosis, l’acide palmitique (C16:0) est
retrouvé dans la cavité du domaine PAS (Fig. 47, Henry and Crosson, 2011).
Figure 47 : Représentation du domaine PAS sous forme dimérique de la protéine RV1364C de M. tuberculosis, fixant une molécule de palmitate dans la cavité du domaine PAS (colorée en bleu foncé).
2. Autres rôles pour le domaine PAS
Les domaines PAS sans rôle avéré de perception de ligand peuvent avoir des fonctions variées comme la dimérisation, la transduction de signaux, le relais de l’information ou encore l’amplification de cette dernière (Witan et al., 2012). A noter que ces différents rôles sont beaucoup moins étudiés que ceux de la fixation de ligands.
Ainsi, les domaines PAS peuvent remplir des fonctions sensorielles et/ou de régulation. Pour permettre la transmission d’information au sein de la protéine, des réarrangements structuraux s’effectuent au niveau du domaine PAS et seront illustrés ci-dessous.