Transduction du signal vers la kinase

Nous avons donc vu qu’en présence d’un signal spécifique, les domaines PAS subissent un réarrangement structural. Dans un modèle dimérique où ils sont suivis d’hélices, dites Jα, ces dernières sont déplacées par les modifications structurales du domaine PAS (Diensthuber et al., 2013; Möglich and Moffat, 2007). Ces mécanismes permettant la régulation de domaine sous-jacent semblent commun à la famille des domaines PAS et ont permis la création de systèmes hybrides, artificiels, régulés par un domaine PAS.

Par exemple, un domaine LOV d’une protéine de plante a été couplé à un facteur de transcription d’E. coli et montre une liaison spécifique à l’ADN en présence de lumière (Strickland et al., 2008). Cet exemple frappant illustre bien la modularité et la conservation des domaines PAS entre les différents règnes du vivant et un modèle de régulation par allostérie commun à un grand nombre de protéines et de processus. D’autres exemples de régulation d’un domaine enzymatique par la lumière grâce à un domaine LOV sont disponibles, notamment celui d’une activité dihydrofolate réductase (DHFR, Lee et al., 2008). Un de ces modèles hybrides va particulièrement nous intéresser, il s’agit d’un couplage entre le domaine histidine kinase de la protéine FixL de B. japonicum et le domaine LOV de la protéine YtvA de B. subtilis. En effet, cette protéine a permis de prouver le fonctionnement de la transmission de signal entre un domaine PAS et une histidine-kinase au travers d’un domaine de type coiled-coil. La protéine de fusion résultante, nommée YF1, correspond à la fusion du domaine PAS de YtvA sur l’hélice Jα précédant la kinase de FixL après le résidu T du motif DIT conservé, marquant la fin du domaine PAS. Cette protéine possède les propriétés d’inactivation de la kinase de FixL mais en présence de lumière et non plus d’oxygène. Par ailleurs l’ajout de 7 résidus (une heptade) dans l’hélice Jα semble influer sur l’activité nette de la kinase, reflétant peut-être un mécanisme d’atténuation lors de l’allongement du domaine coiled-coil de l’hélice Jα. Ceci peut aussi être lié au fait qu’une heptade ne correspond pas tout à fait à deux tours d’hélices (Möglich et al., 2009b).

La structure complète de cette protéine de fusion a été très récemment obtenue par cristallographie dans son état normalement actif, dans l’obscurité (fig. 56, Diensthuber et al., 2013). Sur cette base, les auteurs proposent un mécanisme de transmission du signal entre le domaine PAS et le domaine histidine-kinase au travers de mouvements de torsion / rotation (et donc compatible avec la régulation de l’activité kinase par des mouvements de rotations des hélices du domaine DHp décrit en II.B.1.b., fig. 14). Ces mouvements seraient enclenchés par la perception d’un signal par le domaine PAS, subissant alors un réarrangement structural qui serait initié dans la zone critique de signalisation, le « noyau EFG » (Gong et al., 1998) et répercuté au niveau C-terminal du domaine comme

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une modification de la position relative des hélices Jα (fig. 57). Ainsi, le signal serait transmis au domaine DHp par les domaines coiled-coil joignant ces domaines. En effet, aucun contact direct n’existe entre le domaine PAS et le domaine catalytique, excluant une régulation par des interfaces entre ces domaines. Ce serait donc le mouvement du domaine DHp qui induirait un réarrangement structural, modulant son interaction avec le domaine catalytique et l’accessibilité de l’histidine phosphorylable et donc l’activité kinase.

Ce réarrangement structural pourrait entraîner la déstructuration partielle de la fin de l’hélice α2 du domaine DHp, juste en amont du domaine catalytique (phénomène observé dans un des monomères d’YF1). Ici, la mobilité du domaine catalytique serait accrue et permettrait l’interaction entre le site actif et l’histidine phosphorylable, et ainsi la réaction de phosphorylation. Les mécanismes de modulation de l’interaction entre domaine catalytique et domaine DHp et le mécanisme de déstructuration influant sur la mobilité du

Figure 56 A : Représentation schématique de l’organisation des domaines de YF1. B : Représentation de la structure de YF1 (code PDB : 4GCZ), dans son état à l’obscurité, actif. Le code couleur est représenté en A. Sont visibles en bleu, la FMN dans le domaine PAS et l’ADP dans le domaine CA. Tiré de Diensthuber et al., 2013

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domaine catalytique ne sont pas exclusifs et la transduction du signal pourrait faire intervenir chacun d’eux (Diensthuber et al., 2013).

Le capteur-kinase VicK, impliqué dans la régulation de la virulence et dans la survie de Streptococcus mutans , une coccobactérie à Gram positif responsable de la carie dentaire, a aussi été cristallisé avec ses domaines PAS et HAMP (code PDB : 4I5S). L’agencement des domaines le long d’une colonne vertébrale en hélices alpha y est retrouvé et donc les mécanismes de régulation décrits ci-dessus peuvent être conservés (Wang et al., 2013).

D’autres types de mouvements sont susceptibles de réguler une activité kinase, et ainsi des mouvements de piston et de cisaillement ont aussi été décrits. Le mécanisme de piston a été décrit dans la kinase de NarX par exemple et serait partagé avec Tar, un récepteur de la chimiotaxie, ou encore TorS, un autre capteur-kinase. Ce type de signal serait transmis au travers de la membrane et relayé par un domaine HAMP dans les cas décrits et aurait l’avantage d’être moins sujet à l’atténuation qu’un signal de type rotation (Falke and Erbse, 2009). Un mécanisme de cisaillement induit par la fixation de ligand au niveau de domaines périplasmiques a été décrit dans un capteur-kinase de B. thetaiotaomicron. Les domaines DHp seraient alors en tout ou partie séparés empêchant toute phosphorylation (Lowe et al., 2012). Bien que ces protéines ne comportent pas de domaine PAS, ces types de mouvements sont les seuls, hormis la rotation, décrits comme susceptibles de moduler une activité kinase.

Figure 57 Représentation schématique du réarrangement structural des hélices Jα entre les états à l’obscurité (à gauche, code PDB : 4GCZ) et à la lumière (à droite, modèle obtenu par homologie). Le code couleur est le même que celui de la figure 13 et les tirets représentent l’axe de symétrie du dimère. Tiré de Diensthuber et al., 2013

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