Structure et fonctions générales de COMMD

Initialement désigné sous le nom de MURR1 (Mouse U2af1-rs1 region 1) de par son homologie avec un gène murin contenant dans un intron le gène soumis à empreinte U2af1-rs1 (Nabetani, et al., 1997), COMMD1 (Copper Metabolism Murr1 Domain 1) a été renommée en 2005 et désignée comme chef de file de la famille COMMD. La structure très particulière de l’homologue murin n’est pas retrouvée chez les autres mammifères, et chez l’homme le gène COMMD1 est située dans une région distincte de l’homologue d’U2AF1-RS1.

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2.1. Localisation

COMMD1 est une protéine ubiquitaire. Des études par puces d’expression ont montré qu’elle est particulièrement exprimée dans l’appareil reproducteur masculin, les poumons, le placenta, le pancréas et l’intestin grêle, (Figure 27 B) (Burstein, et al., 2005), ainsi que dans de nombreuses lignées cellulaires (Klomp, et al., 2003).

Au niveau subcellulaire, une fraction minoritaire de COMMD1 peut être retrouvée dans le noyau, mais la fraction majeure est cytoplasmique (de Bie, et al., 2006; Klomp, et al., 2003). Cependant, la distribution varie selon les cellules. En effet, bien qu’une fraction cytosolique soluble ne puisse être exclue, dans les cellules HeLa, A549, H441 et HEK293, COMMD1 montre une distribution vésiculaire post-Golgi, et co-localise avec des marqueurs des endosomes précoces (« early endosomes »). Cependant, cette localisation est probablement cellule-spécifique, puisque des études d’immunofluorescence dans les cellules d’hépato-carcinome HepG2, Hep3B et PLC/PRF/5, et les lignées de carcinome du côlon Caco2 et HT-29, ne présentent pas de marquage vésiculaire (Burstein, et al., 2005; Klomp, et al., 2003).

2.2. Structure

Transcrit d’un gène de 230 kb (MIM: 607238), comprenant 3 exons et localisé en 2p15, l’ARNm (911 pb) de COMMD1 est traduit en une petite protéine soluble de 190 acides aminés, avec un poids moléculaire de 21 kDa. Les études structurelles de COMMD1 sont compliquées par l’instabilité de la protéine et sa capacité à s’agréger. Dans sa partie N-terminale, COMMD1 présente une séquence originale de 105 à 118 acides aminés. Comme toutes les protéines de la famille, il présente sur sa moitié C-terminale le domaine COMM impliqué dans les interactions protéine – protéine (Figure 28).

2.2.1. Le domaine N-terminal

En l’absence du domaine COMM, la partie N-terminale de COMMD1 adopte une conformation compacte, monomérique, constituée de 5 hélices α et arrangée de manière complexe et unique, jamais observée dans d’autres structures (Sommerhalter, et al., 2007). Cette nature compacte de l’extrémité N-ter-COMMD1 suggère que la forme entière des protéines COMMD est un module dont les différents domaines ont des fonctions protéiques distinctes. Des zones chargées positivement en surface dans la partie N-terminale pourraient permettre des interactions protéine-protéine. Cependant, l’analyse structurelle en cristallographie et résonnance magnétique de COMMD1 n’a pas permis d’identifier des motifs offrant des clés mécanistiques à l’activité de COMMD1 (Sommerhalter, et al., 2007).

65 60 154 114 Exon 1 Exon 2 Ex 3 5’ 3’ A _C B

Figure 28. Représentation schématique de COMMD1. (A) Structure générale de COMMD1, avec sa séquence spécifique N-ter et son domaine COMM. (B) Homologie de séquence du domaine COMM, qui contient les 2 séquences d’export nucléaire NES, entre les espèces et entre les différentes protéines COMMD. (C) Représentation de la partie N-terminale de la protéine COMMD1. (A) et (B) : (Muller et al., 2009) ; (C) : (Somerhalter et al., 2007)

2.2.2. Le domaine COMM : site d’interactions protéiques

Le domaine COMM est une séquence conservée, de 65 à 80 acides aminés selon les protéines qui définit la famille COMMD, et porte des fonctions identifiées d’export nucléaire et d’interactions avec des partenaires. Chez COMMD1, ce domaine est compris entre les acides aminés 118 et 186 (soit 68 résidus).Ce domaine riche en leucines, avec certains résidus très conservés, contient des signaux de localisation subcellulaire et constitue une interface pour les interactions avec d’autres partenaires. Des algorithmes de structure secondaire prédisent la présence d’un feuillet β conservé et d’une hélice α à l’extrémité C-terminale, mais la structure tertiaire de ce domaine n’a pas encore été résolue (Maine and Burstein, 2007b). L’activité du domaine COMM a surtout été étudiée chez COMMD1 et COMMD6.

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a) Export nucléaire

Si la localisation subcellulaire de la majorité des protéines COMMD est encore inexplorée, COMMD1 est cependant connue pour sa double localisation nucléaire et cytoplasmique (Burstein, et al., 2005; Klomp, et al., 2003). Le mécanisme de passage de COMMD1 du cytoplasme vers le noyau est mal connu : étant donnée sa petite taille (21 kDa), il est possible que la protéine pénètre par diffusion, aucune séquence de localisation nucléaire ou Nuclear Localisation Signal (NLS) n’ayant été identifiée. Une étude récente a permis d’élucider en partie le passage du noyau vers le cytoplasme. En effet, le domaine COMM contient deux séquences d’export nucléaire ou Nuclear Export Signal (NES) contenant des acides aminés hydrophobes conservés au sein des espèces et dans les différentes protéines COMMD (Figure 28). L’exportine CRM1, qui reconnaît des séquences riches en leucine, en interagissant avec ces NES, permet la translocation de COMMD1 du noyau vers le cytoplasme (Muller, et al., 2009). Cette étude n’a été menée in vitro que sur COMMD1, mais ces séquences NES étant retrouvées dans les autres protéines COMMD, on peut supposer qu’elles aussi pourraient être des protéines navettes entre cytosol et espace nucléaire.

b) Interactions protéine-protéine et protéine-lipide

Lors de la définition de la famille COMMD, en 2005, Burstein et ses collaborateurs avaient montré que COMMD1 était capable de s’associer in vitro avec les neuf autres membres de la famille, bien que certains assemblages soient préférentiels, grâce au domaine COMM qui sert d’interface pour ces interactions (Burstein, et al., 2005).

Interactions avec des protéines COMMD

Des homodimères de COMMD1, des hétérodimères de COMMD1 avec COMMD3, COMMD4 ou COMMD6, voire même des homo-tétramères de COMMD1 ont été décrits à l’état naturel dans différentes lignées cellulaires (Burkhead, et al., 2009; Burstein, et al., 2005; de Bie, et al., 2006). Le mécanisme d’interaction est mal connu. La formation des dimères est favorisée par la liaison au cuivre (Narindrasorasak, et al., 2007). Le domaine COMM ne contient qu’une seule cystéine (Cys160) qui pourrait participer à la dimérisation par la création de ponts disulfures, mais qui n’est pas indispensable à cette interaction. L’hypothèse formulée par Narindrasorasak est que les ponts disulfures se forment pour consolider le dimère après le rapprochement des deux domaines COMM grâce à d’autres interactions. Ce modèle est valable pour les homo- et hétérodimères, mais par pour les tétramères (Narindrasorasak, et al., 2007).

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Interactions avec d’autres protéines

Le domaine COMM permet aussi l’interaction des membres de la famille COMMD avec d’autres partenaires protéiques, parmi lesquels la protéine Cul2 (Maine, et al., 2007), certains membres de la famille NF-ĸB (de Bie, et al., 2006), la kinase régulée par le sérum et les glucocorticoïdes SGK1 (Ke, et al.). Il est à noter cependant que si le domaine COMM apparaît comme une plate-forme d’interactions, la nature et la spécificité de ces interactions varient d’un membre de la famille à l’autre, comme cela a été montré pour la liaison avec les différentes protéines NF-ĸB (Burstein, et al., 2005).

D’une manière intéressante, nous avons montré au laboratoire que COMMD1 est capable de lier grâce à son domaine COMM la protéine CFTR sur sa boucle ICL3 (Drevillon, et al., 2011)

Interactions avec des lipides

Par ailleurs, une étude récente suggère une interaction possible entre les protéines COMMD et les lipides membranaires. En effet, l’utilisation de membranes (PIPstrips) a permis récemment de montrer l’interaction possible de COMMD1 avec des partenaires lipidiques, et plus particulièrement des phosphatidyl-inositols di ou tri-phosphorylés. Notamment, COMMD1 interagit avec le phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate PtdIns(4,5)P2 ou PIP2, une molécule d’ancrage à la membrane

décrite dans le trafic vésiculaire, la modulation de l’activité des transporteurs, l’établissement et le maintien de la polarité dans les cellules épithéliales. Cette liaison requiert la présence du domaine C- terminal de COMMD1 (Burkhead, et al., 2009).

Bien que les mécanismes d’interaction avec ses différents partenaires ne soient pas complètement élucidés, COMMD1 interagit avec un grand nombre de molécules et est impliqué dans plusieurs voies physiopathologiques. Si de nombreux éléments montrent que le domaine COMM est essentiel à la fonction de la protéine, la spécificité d’action serait apportée par le domaine N- terminal. En effet, tous les membres de la famille COMMD peuvent lier des protéines de la famille NF-ĸB grâce à leur domaine COMM, mais pour fixer la protéine RelA (p65), la forme totale de COMMD1 est requise (Burstein, et al., 2005). Un autre exemple de la collaboration étroite entre ces deux domaines est la fixation spécifique du cuivre (II) récemment mise en évidence qui est médiée par la méthionine M110 (domaine N-ter) et l’histidine H134 (domaine COMM) et favorise la dimérisation de COMMD1 (Narindrasorasak, et al., 2007).

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