Les protéines à domaine PDZ

2.2.1 Présentation

Les protéines à domaines PDZ sont impliquées dans des interactions protéines-protéines, elles ont donc un rôle clé dans les mécanismes biologiques.^34,35 Elles portent ce nom en référence aux trois premières protéines décrites possédant ce domaine homologue :³⁶

- Post Synaptic Density-95 (PSD-95)

- Drosophila discs large tumor suppressors (Dlg1) - Zonula occludens-1 (Zo-1)

Dans le génome humain, 270 domaines PDZ sont dénombrés dans 150 protéines à domaines PDZ.^37,38 Une protéine PDZ peut ainsi contenir un ou plusieurs domaines PDZ, ainsi que d’autres domaines d’interactions entre protéines,34

ce qui a conduit à la classification en trois familles de protéines à domaines PDZ (Figure 9). La première famille est composée de protéines ne possédant que des domaines PDZ, comme la protéine MUPP1 (Multi-PDZ domain protein 1) qui en possède 13 et constitue à ce jour le record de domaines PDZ pour une seule protéine.^39,40 Une autre famille de protéines PDZ est celle connue sous le nom de MAGUK (membrane-associated guanylate kinases) dans laquelle les protéines sont

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composées d’un ou plusieurs domaines PDZ, un domaine SH3 et un domaine « guanylate kinase » (GK). Dans cette famille se trouve les trois protéines à l’origine de la dénomination PDZ : PSD-95, Dlg1 et Zo-1. La dernière famille est, quant à elle, composée de protéines comportant des domaines PDZ et d’autres domaines d’interaction mais qui ne font pas partie de la famille MAGUK comme la protéine Scribble.^37,41

Figure 9: Famille des protéines PDZ en fonction de leur composition⁴¹

Les domaines PDZ sont des motifs qui apparaissent sur de nombreuses protéines. Ils sont constitués d’environ 90 acides aminés34,35,42

formant une structure 3D très conservée qui possèdent 2 hélices α et 5 ou 6 feuillets β avec l’alignement suivant β1, β2, β3, α1,β4, β5, α2,β6

(Figure 10),^34,42 avec le motif GLGF qui se situe entre β1 et β2 et qui est commun à toutes les protéines à domaine PDZ.

La structure 3D des domaines PDZ peut être obtenue soit par spectroscopie de résonnance magnétique nucléaire (RMN), soit par diffraction des rayons-X.^43–45 Toutes ces structures sont regroupées dans la Protein Data Bank (PDB),⁴⁶ ce qui permet d’avoir accès à de nombreux informations sur la structure 3D et la séquence FASTA de la protéine PDZ avec ou sans ligand PDZ.

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Figure 10: Structure du domaine PDZ1 de la protéine PSD-95 (PDB 3GSL). Les feuillets sont représentés en jaunes, les hélices en bleues, les boucles en beiges et le motif GLGF en rouge.

2.2.2 Le site d’interaction

Les protéines à domaines PDZ ou protéines PDZ interagissent, le plus souvent, avec l’extrémité C-terminal des protéines partenaires appelées ligands PDZ. Le site d’interaction des protéines PDZ est délimité par une boucle constituée de 4 acides aminés (GLGF), le feuillet β2 et l’hélice α2 (Figure 11, A), que nous nommerons S0.^37,45,47 Les protéines appelées ligand PDZ qui interagissent avec ce domaine se lient avec le carboxylate du C-terminal à la boucle GLGF qui est un motif très conservé dans la structure des protéines à domaine PDZ.⁴⁸ La boucle entre les feuillets β2 et β3 (site S1) constitue également un point d’ancrage pour les ligands PDZ.

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Figure 11:A : Représentation en 3D de la poche d'interaction S0 (noir) de PSD-95 PDZ1 (PDB : 3GSL) délimitée par la boucle GLGF (rouge), le feuillet 2 (jaune), la boucle S1 (vert) et .l’hélice 2 (bleue). B : Représentation en 3D de

PSD-95 PDZ1 en fonction de l’hydrophobie des résidus.

De nombreuses études portant sur l’interaction entre le ligand PDZ et la protéine PDZ ont montré que les quatre derniers résidus du ligand PDZ (nommés (-3), (-2), (-1), (0) pour ne pas les confondre avec les acides aminés de la protéine) interagissent avec le site S0.^49–51 Le carboxylate du résidu (0) interagit avec la boucle GLGF^43,47,52 alors que les chaînes latérales des résidus (0) et (-2) interagissent avec une poche hydrophobe (en rouge sur la Figure 11, B) formée entre le feuillet β2 et l’hélice α2.

Ceci peut être illustré par les travaux de Doyle et al.⁵³ qui montrent les interactions entre le domaine PDZ3 de PSD-95 et le tétrapeptide QTSV (Figure 12). La représentation en 3D du domaine d’interaction de la protéine permet de mettre en évidence que le tétrapeptide va effectivement se fixer dans la poche S0. En effet, la Val (0) interagit avec la boucle GLGF (Gly 322 et Phe 325) et la Thr (-2) interagit avec le feuillet β₂ (Ile 327) et l’hélice α2 (His 372).

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Figure 12: Répresentation 2D (B) et 3D (A) des interactions entre PSD-95 PDZ3 et le peptide QTSV⁵³

La représentation en 2D permet de mieux visualiser les interactions entre le domaine PDZ et le ligand, et donne également des informations sur les distances d’interaction entre le domaine PDZ3 de PSD-95 et le tétrapeptide QTSV. Nous remarquons que le principal réseau d’interactions consiste en la formation de liaisons hydrogène entre le domaine PDZ et son ligand, même s’il existe d’autre types d’interactions comme les interactions hydrophobes. C’est le cas pour la Val (0) qui présente des liaisons hydrogène avec le squelette peptidique de la boucle GLGF via sa fonction acide carboxylique terminale et son azote de la fonction amide. La Val (0) interagit aussi avec la boucle GLGF par une interaction hydrophobe, de type Van des Waals, entre sa chaîne latérale (isobutyle) et le phényle de la chaîne latérale de la Phe 325 du feuillet 2. La Thr (-2) interagit également avec le domaine PDZ par des liaisons hydrogène, en effet le carbonyle et l’azote de l’amide du Thr (-2) interagissent avec l’azote de l’amide et le carbonyle de l’Ile 327 présente sur le feuillet β2. La chaîne latérale de la Thr (-2) interagit également avec l’His 372 présente sur l’hélice α2 par liaison hydrogène entre la fonction alcool de Thr (-2) et l’azote (imidazole) de l’His 372.

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Nous venons de mettre en évidence que le site S0 du domaine PDZ interagit avec les quatre derniers résidus de l’extrémité C-terminal du ligand PDZ. Il a été montré que les résidus du ligand PDZ en amont de ces amines aminés interagissaient également avec le domaine PDZ comme le montre la représentation en 2D de l’interaction entre le peptide ErbB2 (Tyr(-7)-Leu(-6)-Gly(-5)-Leu(-4)-Asp(-3)-Val(-2)-Pro(-1)-Val(0)) et la protéine Erbin (Figure 13).⁴⁹

Figure 13: Représentation 2D des interactions du peptide ErbB2 (TLGLDVPV) avec la protéine PDZ Erbin⁴⁹

La représentation en 2D montre la présence de liaisons hydrogène entre la Val (0) du ligand et la boucle GLGF du domaine, notamment entre la Val (-2) et l’Ile (1295) de l’hélice α2. L’Asp (-3) favorise aussi la stabilisation de l’interaction en faisant une liaison hydrogène avec la Thr 1316. Les résidus suivants la Leu (-4), la Gly (-5) et la Leu (-6) ne semblent pas interagir avec le domaine PDZ, contrairement à la chaîne latérale de la Tyr (-7) qui présente des interactions avec une poche hydrophobe (VdW) formée par la Ser (1296) du feuillet β₂ et les résidus Gly (1303), Asn (1304) et Pro (1305) de la boucle entre les feuillets β2 et β₃. Cette zone, qui correspond à la boucle S1, présente une grande variabilité d’un domaine PDZ à un autre. En effet, des différences de longueur de cette boucle mais également de nature des acides aminés qui la constituent ont été identifiés (Figure 14).

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Figure 14: Alignement FASTA des domaines PDZ et représentation en 3D des domaines PDZ

2.2.3 La classification des ligands PDZ

La classification la plus commune des protéines à domaines PDZ est le classement de celles-ci en fonction de la nature du ligand PDZ et notamment en fonction du résidu (-2) qui est important dans la sélectivité des interactions entre le domaine et le ligand endogène.⁵¹ Ce critère a permis de classer les protéines en trois classes en fonction des interactions entre la protéine à domaine PDZ et le tripeptide.

Figure 15: Les trois classes de domaines PDZ

Les protéines à domaine PDZ qui appartiennent à la classe I vont se lier à des ligands PDZ qui ont un motif Ser/Thr (-2) – X (-1) – Φ (0). Ces ligands possèdent un acide aminé

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hydrophobe (Φ) en position (0) et un acide aminé polaire en position (-2) qui va interagir avec une His présente sur l’hélice α2 (Figure 15, Jaune).

Les protéines à domaine PDZ qui appartiennent à la classe II interagissent avec des ligands qui ont comme motif Φ (-2) – X (-1) – Φ (0). Les acides aminés en position 0 et -2 sont des acides aminés hydrophobes. L’acide aminé en -2 va interagir avec des résidus hydrophobes sur l’hélice α2 (Figure 15Figure 13, Vert).

Les domaines PDZ qui constituent la classe III se lient avec des ligands PDZ possédant un acide aminé chargé négativement en position (-2) et vont se lier selon un motif Asp/Glu (-2) – X (-1) – Φ (0). L’acide aminé en position (-2) va aller se lier avec une Tyr (HBD) présente sur l’hélice α₂ (Figure 15Figure 13, Orange).