Le feuillet β et les hélices N- et C-terminales, flanquant le noyau du PAS, jouent un rôle central dans la transduction de signal. La perception d’un signal va induire des changements structuraux, de dynamique et de flexibilité au niveau du domaine PAS (Pandini and Bonati, 2005; Möglich et al., 2009a). Des changements de structures quaternaires induits par la perception d’un stimulus ont été identifiés pour de nombreux domaines PAS.
Ainsi, différents changements de conformation s’effectuant au sein des domaines LOV suite à la perception de lumière ont été rapportés et seront illustrés dans cette sous-partie et résumés grâce à la figure 48.
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Figure 48 : Représentation schématique de différents modèles de signalisation dans les protéines contenant des domaines LOV, à l’obscurité (dark) ou après perception de la lumière, représentée par hv. A. La formation de l’adduit cysteinyl-flavine induit des changements de conformation du domaine LOV2 (représenté en bleu) de la phototropine d’Avena sativa. Ceux- ci affectent les interactions entre l’hélice C- terminale (Jα) et le noyau du domaine LOV, aboutissant à l’activation du domaine effecteur (représenté en jaune). B. Modèle de signalisation pour la protéine YtvA de Bacillus subtilis, où l’illumination du domaine induit des mouvements relatifs des deux domaines LOV dans le dimère, qui vont se transmettre aux hélices Jα pour activer le domaine effecteur. C. Exemple de signalisation au sein de la protéine VVD provenant de Neurospora crassa, où l’activation par la lumière induit un réarrangement de la coiffe N-terminale (en vert), ce qui modifie la dimérisation de la protéine. D. Représentation de l’activation de la protéine LOV-HTH de
Erythrobacter litoralis, EL222 où l’activation par
la lumière altère l’interaction entre le domaine LOV et le domaine HTH, favorisant ainsi la dimérisation de la protéine et sa fixation à l’ADN. Extrait de Herrou and Crosson., 2012.
1. Mouvement de dissociation
L’étude des différentes structures cristallographiques obtenues pour le domaine LOV2 de la phototropine a permis de mettre en évidence l’importance des brins βH et βI dans la propagation du signal. Ainsi, la lumière bleue va induire la formation d’un pont covalent entre le chromophore FMN et un groupement sulfhydryle de la protéine. Celle-ci subit une distorsion du feuillet β, plus particulièrement au niveau des brins βH et βI du domaine LOV2. Ces modifications favorisent la dissipation des interactions du feuillet β avec l’hélice α C- terminale (Jα), permettant sa libération du noyau du domaine PAS et induisant l’activité kinase (Harper et al., 2004; Khorchid and Ikura, 2006; Hoersch et al., 2007; Zayner et al., 2012; Halavaty and Moffat, 2013). Il a été proposé que cette séparation entre l’hélice Jα et le feuillet β pourrait être due à une augmentation de la dynamique après perception de la lumière (Zayner et al., 2012). Dans la protéine PYP, un pont salin conservé (K110/E12) connecte le feuillet β à la région N-terminale du domaine LOV. Ce pont salin permet la stabilisation du photorécepteur dans un état inactif, à l’obscurité. Après la perception de lumière, celui-ci est déstabilisé permettant ainsi au domaine N-terminal de se détacher de l’échafaud β du PAS (Hoersch et al., 2007).
Ainsi, l’importance de l’interface du feuillet β pour la transduction de signal a été mise en évidence pour le domaine LOV de la phototropine et pour PYP, mais aussi pour d’autres domaines PAS non sensibles à la lumière comme ceux de KinA, hERG … (Tan et al., 2013).
2. Mouvement de rotation
Plusieurs exemples de changements de structure quaternaire des domaines PAS faisant intervenir des mouvements de rotation d’une sous-unité du dimère PAS par rapport à l’autre ont été décrits dans la littérature. En comparant la structure cristallographique dimérique du
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domaine LOV de la protéine YtvA de B. subtillis, obtenue à l’obscurité ou à la lumière, une rotation de 5° est observable entre les deux sous-unités lors du passage à la lumière, résultant en un mouvement de cisaillement. En effet, l’absorption de lumière induit la formation d’un lien covalent entre un résidu cystéine conservé situé au niveau de l’hélice Eα et l’atome C(4a) du FMN, permettant ainsi un réarrangement du domaine PAS (Möglich and Moffat, 2007; Slavny et al., 2010).
Ce phénomène de rotation a également été observé pour le PAS-A de la protéine Dos d’E.
coli, où une rotation de 3° de l’une des sous-unités par rapport à l’autre a lieu suite à
l’oxydation de l’hème fixé par le domaine PAS (Slavny et al., 2010).
Ce même type de mouvement a été décrit pour le PAS (bjFixLH) de la protéine FixL de
Bradyrhizobium japonicum, où une rotation de 2° d’une sous-unité du dimère par rapport à
l’autre a lieu suite à la fixation de molécules diatomiques, telles que l’oxygène et le monoxyde de carbone, au cofacteur hème déjà lié (Ayers and Moffat, 2008).
La portion périplasmique de DctB, le senseur-kinase impliqué dans la perception d’acides dicarboxyliques, est composée de deux domaines PAS. La fixation de succinate au domaine PAS le plus éloigné de la membrane induit un changement de conformation avec un mouvement de rotation des monomères se comportant comme des corps rigides l’un par rapport à l’autre. Ceci résulte en une augmentation de la distance de plus de 20 Å entre les deux monomères proches de la membrane (Fig. 49). Cette ouverture permettrait le réarrangement du segment transmembranaire et la transmission de l’information jusqu’aux domaines kinase (Nan et al., 2010; Liu et al., 2014).
Figure 49 : Superposition de la structure cristallographique de DctB liant le succinate (vert) ou seul (violet), les dimères sont superposés par rapport aux monomères B. La fixation de succinate (représenté par une sphère jaune) au domaine PAS distant de la membrane (DctBpd) induit une rotation des dimères de 20° d’un monomère par rapport à l’autre. Extrait de Nan et al., 2010.
3. Dimérisation
Il a également été proposé comme changement de structure quaternaire une dimérisation du domaine PAS suite à la perception du stimulus. La protéine NifL présente deux domaines PAS. Le domaine PAS1 permet la perception de l’état rédox de la cellule. L’oxydation du FAD induit un changement de conformation du PAS1 qui est communiqué au PAS2. Celui-ci subit alors un changement structural, qui permet de moduler l’activité de NifL. Il a été
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proposé que le PAS2 puisse adopter deux états, dissocié et associé, et que la dissociation des deux monomères du PAS2 soit nécessaire pour induire le réarrangement de la kinase de NifL et sa fixation à NifA (Slavny et al., 2010). La transduction d’information entre les différents domaines de la protéine se ferait grâce aux hélices flanquant les domaines PAS (Little et al., 2012).
Un changement de l’état de dimérisation est également observable pour le domaine LOV (VVD) du champignon Neurospora crassa. Ainsi, après perception de lumière et la formation de l’adduit cysteinyl-flavine, des changements de conformation au niveau de la coiffe N- terminale permettent la déconnexion de cette dernière du noyau du LOV. Ces modifications vont résulter en une transition d’un monomère vers une forme dimérique de VVD (Zoltowski and Crane, 2008; Herrou and Crosson, 2012).
Pour EvgS, un homologue de BvgS chez E. coli, un modèle a été proposé selon lequel le domaine PAS jouerait un rôle clé dans la dimérisation de la protéine. Ainsi, EvgS serait inactif lorsque son domaine PAS est sous forme dimérique. La perception d’un ligand par les domaines périplasmiques affaiblirait ce dimère pour induire l’activation de la kinase (Johnson et al., 2014).
Après nous être intéressés aux domaines PAS de manière générale en étudiant leur structure, classification, leurs différentes fonctions ainsi que les mouvements quaternaires qui permettent la transmission d’information au sein de la protéine, nous allons à présent dresser un rapport des données disponibles concernant le domaine PAS de BvgS et son rôle dans l’activité du système.