Potentiel RedOx

Nous avons vu comment un domaine PAS pouvait permettre de percevoir directement l’oxygène grâce à l’association d’un cofacteur de type hème. Il existe d’autres façons de percevoir l’oxygène, en particulier via le potentiel rédox qui diffère considérablement entre des environnements oxygéné ou anaérobie.

La flavine adénine dinucléotide (FAD) est sensible au changement de potentiel rédox. Ainsi, elle est réduite lorsque la concentration en oxygène diminue, par diminution du potentiel oxydant. Ce mécanisme a été utilisé par les domaines PAS qui ont la FAD comme cofacteur, afin d’évaluer le potentiel redox de la cellule et ainsi inférer son état énergétique (Campbell et al., 2011).

a. Aer

Aer est une protéine d’E. coli impliquée dans l’aérotaxie, la motilité de la bactérie dans un gradient d’oxygène. Ce récepteur fonctionne en association avec les protéines de la chimiotaxie, bien que son domaine PAS, module de perception N-terminal, soit cytoplasmique contrairement aux domaines de perception périplasmiques des récepteurs de la chimiotaxie. Le reste de la protéine est homologue entre ces systèmes : deux segments transmembranaires séparent le domaine PAS d’un domaine HAMP suivi par un module de contrôle de la kinase CheA (fig. 49, Campbell et al., 2010). Lorsque la FAD est sous forme

réduite, le module est actif et augmente

l’autophosphorylation de CheA, ce qui va permettre de moduler l’attitude de nage de la bactérie (cf. II.B.2.b. Chimiotaxie).

Bien que la structure du domaine PAS de cette protéine ne soit pas connue, des études par mutagenèse dirigée se basant sur un modèle structural ont permis de montrer que les résidus

Figure 49 Représentation schématique de la structure d’un dimère de la protéine Aer. Tiré de Campbell et al., 2010.

60 critiques pour la signalisation sont situés au niveau de la boucle EF (contrairement aux domaines PAS à hème où la boucle FG est importante) ainsi que dans le « PAS-core ». La fixation de la FAD implique plusieurs résidus, situés au niveau des hélices E et F, la boucle les reliant et le brin béta G. L’interaction possible entre le domaine PAS et le domaine HAMP au niveau du feuillet béta de cette protéine semble aussi crucial dans l’état de signalisation de la protéine (Campbell et al., 2010; Repik et al., 2000).

b. NifL

Une protéine impliquée dans la perception de l’état rédox cellulaire a aussi été décrite chez Azotobacter vinelandii. Il s’agit de la protéine NifL qui va réguler l’expression du régulon

nif, de fixation de l’azote, et ainsi la production d’une nitrogénase sensible à l’oxygène, par l’intermédiaire de NifA, un facteur sigma. NifL contient deux domaines PAS, le premier lie la FAD (fig. 50) et permet donc la perception du potentiel rédox, tandis que le second ne possèderait pas de ligand et permettrait la transmission du signal vers le domaine C-terminal d’interaction avec NifA. En présence d’oxygène, NifA est séquestré par NifL (Little et al., 2011; Slavny et al., 2010).

Le domaine PAS1 de NifL est le premier domaine PAS cristallisé liant la FAD et sensible au potentiel rédox (fig. 50). La résolution de cette structure a permis de faire un rapprochement structural et fonctionnel entre ce domaine et les domaines LOV, montrant un site de fixation du ligand semblable et des zones impliquées dans les réarrangements structuraux permettant une signalisation similaire, bien qu’il n’y ait pas de résidu cystéine impliqué ici (Key et al., 2007). Ces points seront discutés ci-après pour les domaines LOV et ne seront pas abordés ici. De

même l’organisation dimérique se fait par l’intermédiaire du feuillet béta par des zones hydrophobes, caractéristique classique des domaines PAS.

c. ArcB

Une autre façon de percevoir l’état rédox d’une cellule est par l’état rédox de ses quinones. C’est ainsi que fonctionne le système à deux composants ArcAB (« Anoxic redox control ») d’E. coli grâce à son capteur-kinase ArcB. Cette protéine liée à la membrane par 2 segments transmembranaires, contient un domaine PAS précédé d’un domaine « leucine zipper » et suivi d’un domaine histidine-kinase puis deux domaines de phosphotransfert : un domaine receveur et un domaine Hpt (Alvarez and Georgellis, 2010). En conditions anaérobies le système est actif, ArcA va alors être phosphorylé et permettre l’expression de certains gènes du métabolisme fermentaire et la répression de nombreux gènes du métabolisme respiratoire.

Figure 50 Représentation dimérique du domaine PAS 1 de NifL (code PDB : 2GJ3) lié à la FAD (en vert)

61 L’état rédox des quinones va être perçu par le domaine PAS d’ArcB. En effet, il possède deux résidus cystéine sensibles à l’état d’oxydation des quinones, elles seront réduites lorsque les quinones sont réduites, en conditions anaérobies, permettant l’activité du système. En revanche en présence d’oxygène, il y aura oxydation des quinones et ainsi de ces cystéines qui vont générer des ponts disulfure inter-monomères, inactivant le système (fig. 51, Malpica et al., 2004, 2006).

La formation de ponts disulfure va donc modifier considérablement l’agencement dimérique de la protéine, perturbant le fonctionnement de l’histidine-kinase qui doit avoir une conformation dimérique particulière pour son activité.

Figure 51 Représentation schématique du fonctionnement d’ArcB. Le domaine PAS n’est pas représenté entre les domaines membranaires et histidine-kinase, mais seulement ses résidus cystéines sensibles à l’état redox des quinones. H D H correspondent aux résidus phosphorylables histidine, aspartate et histidine des domaines kinase, receveur et Hpt respectivement. Tiré deMalpica et al., 2006.