Les domaines PAS sont retrouvés dans tout le règne vivant. Ils ont été premièrement définis sur la base d’une homologie et de la présence de séquences répétées imparfaites d’une cinquantaine de résidus dans trois protéines eucaryotes, nommés alors motifs PAS. Il s’agit des protéines « Period clock » (« Per ») de la drosophile, « Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator » (« Arnt ») présentes chez les vertébrés, et d’une autre protéine de drosophile, « Single-minded protein » (« Sim », Taylor and Zhulin, 1999). D’autres résidus, situés du côté C-terminal de cette région, ont été reconnus comme formant un autre motif, dénommé PAC ou boite S2. Finalement, ces 2 motifs ne constituent qu’un seul et unique domaine protéique,
le domaine PAS (Möglich et al., 2009a). 1. Caractéristiques structurales
Il existe une très grande variété de séquences au sein de ces domaines, et l’homologie entre domaines PAS est parfois presque nulle. Ces domaines sont composés d’une centaine de résidus, et parmi eux, seuls 9 sont relativement conservés. En fait, trois quarts des domaines PAS ne contiennent que 4 à 7 de ces 9 résidus conservés et une asparagine particulière (parfois remplacée par une sérine) est le résidu le plus conservé. Elle participe au « helical capping » , ponts hydrogène nécessaires à la fonctionnalité et la stabilité du domaine PAS (Kumauchi et al., 2010). Il a donc été longtemps difficile de pouvoir prédire la présence d’un domaine PAS au sein d’une protéine sur la base de motifs conservés, mais un motif C- terminal de séquence DIT (le résidu D étant le plus conservé du motif) est assez commun dans ces domaines (Möglich et al., 2009b).
Leur structure tertiaire est quant à elle très conservée et permet une bonne reconnaissance du repliement (fold) PAS. C’est cette structure particulière qui définit aujourd’hui la superfamille des domaines PAS. Il s’agit d’un enchainement de structures secondaires Aβ, Bβ, Cα, Dα, Eα, Fα, Gβ, Hβ et Iβ (fig. 44), qui vont permettre un repliement spécifique avec un feuillet β
antiparallèle incluant les cinq brins dans l’ordre B A I H G (soit 2-1-5-4-3) flanqué par les hélices α du domaine. Les hélices α varient parfois en nombre tandis que le feuillet β est l’élément le plus conservé (Möglich et al., 2009a). Une cavité est délimitée par ces éléments structuraux dans laquelle peut se retrouver un ligand ou un co- facteur.
On retrouve souvent la dénomination « PAS-core » (noyau PAS) pour les éléments Aβ, Bβ,
Figure 44 Représentation du domaine PAS de la protéine PYP (Photoactive Yellow Protein, code PDB : 2QJ7). Les structures secondaires caractéristiques du repliement PAS sont notées de A à I.
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Cα, Dα et Eα ; l’hélice Fα est nommée connecteur hélical et les 3 derniers brins β forment le « β-scaffold » (échafaud béta).
De très nombreux domaines PAS ont été cristallisés, permettant de définir cette superfamille par une structure conservée malgré les disparités de séquences qui tendaient à les séparer. Ainsi des caractéristiques particulières ont défini divers membres de la superfamille des domaines PAS et sa nomenclature.
2. La superfamille des domaines PAS
Les domaines PAS sont capables de remplir diverses fonctions, particulièrement de ressentir un paramètre physico-chimique comme la lumière, l’oxygène ou le potentiel redox. Dans ces cas ils possèdent un cofacteur particulier qui sera par exemple un chromophore, de l’hème ou la FAD respectivement. Ils peuvent aussi avoir comme ligand des molécules assez variées comme le palmitate (King-Scott et al., 2011), des acides di-carboxyliques (C3 et C4, Zhou et al., 2008) ou encore un acide aminé (Glekas et al., 2009)... Tous les domaines PAS ne semblent pas avoir de ligands ou de cofacteurs, et il est donc vraisemblable qu’ils puissent servir de transducteurs ou d’amplificateurs de signal et non seulement percevoir un signal via une molécule.
Comme nous l’avons vu, cette superfamille se définit par sa structure. Cependant, les caractéristiques particulières des membres de cette superfamille la subdivisent en familles définies par leurs particularités, type de signal perçu ou localisation.
Par exemple les domaines PAS capable de percevoir la lumière sont regroupés dans la famille des domaines LOV (Light Oxygene or Voltage, Krauss et al., 2009). Bien que décrits comme étant des domaines cytoplasmiques, des domaines PAS extra-cytoplasmiques ont aussi été décrits (Chang et al., 2010). Il s’agit de domaines CACHE (CAlcium channels and CHEmotaxis receptors) et des domaines PDC (PhoQ-DcuS-CitA) qui malgré quelques caractéristiques de séquences et de structures propres conservent le repliement PAS (Möglich et al., 2009a).
Les domaines PAS sont très proches structuralement des domaines GAF (phosphodiestérases spécifique du cGMP, Adénylate cyclase et FhlA, fig. 45) bien que très divergents en séquence. La différence notable est la présence de 6 brins β dans le repliement GAF au lieu de 5 dans le PAS. Il arrive que des domaines annotés PAS possèdent 6 brins béta alors que des domaines annotés GAF n’en possèdent que 5, ce qui génère une certaine confusion entre ces types de domaines. Il n’est toujours pas possible de déterminer si leurs mécanismes de signalisation sont réellement distincts et méritent la conservation d’une terminologie différente (Möglich et al., 2009a). Vu la grande variété de processus régulés par les domaines PAS et GAF et le recoupement que l’on peut faire parfois entre
Figure 45 Représentation d’un domaine GAF sensible à la lumière (PixJ, code PDB : 4GLQ). Les 6 brins bétas du feuillet sont visibles en rouge.
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eux, pouvant être présents dans une même protéine, nous ne traiterons pas plus avant des domaines GAF, non représentés chez BvgS bien que présents dans des senseurs contenant des domaines VFT d’architecture proche.
3. Autour des domaines PAS
Bien qu’il existe des domaines PAS isolés, ils sont le plus souvent associés à d’autres types de domaines au sein d’une même protéine, domaines auxquels ils sont souvent reliés par des connecteurs en hélice α. On retrouve par exemple des domaines HAMP (Histidine- kinases, Adénylate cyclases, protéine acceptant un Méthyl et Phosphatases), des domaines MCP (Methyl-accepting Chemotaxis Protein), des domaines GGDEF et des domaines EAL respectivement impliqués dans la synthèse et l’hydrolyse du di-GMP cyclique, des canaux ioniques, des domaines sérine/thréonine-kinase ou encore des domaines histidine-kinase pour ne citer qu’eux (Möglich et al., 2009a).
Bien que certains domaines PAS aient cristallisé sous forme monomérique, ils possèdent une aptitude très prononcée à former des oligomères. En effet, les domaines PAS permettent la formation de dimères dans de nombreux cas bien décrits (notons particulièrement l’exemple des PAS associés aux histidine-kinases, Möglich et al., 2009). Non seulement ils forment des homodimères mais aussi des hétérodimères, particulièrement chez les eucaryotes dans des facteurs de transcription particuliers, et permettent ainsi une interconnexion entre différents régulateurs (Gilles-Gonzalez and Gonzalez, 2004; McIntosh et al., 2010). Cette dimérisation s’effectue généralement au niveau d’une petite région hydrophobe de la surface externe du feuillet béta des monomères. Cette région est aussi impliquée dans les contacts avec des hélices flanquantes souvent retrouvées autour de ces domaines. Dans un tel cas, le dimère s’organise parallèlement de façon à ce que les extrémités N-terminales des deux monomères soient proches (Möglich et al., 2009a).