Le système à deux composants DesKR permet à B. subtilis de percevoir et de répondre au changement de température, en maintenant la fluidité de sa membrane. La protéine senseur DesK est sensible à l’épaississement de la membrane suite à une chute de la température, et va ainsi permettre l’activité kinase grâce à un changement de conformation. En effet, certaines données biophysiques suggèrent que la bicouche lipidique devient plus ordonnée après une baisse de la température, ce qui résulte en son épaississement. DesK phosphorylée active DesR, un activateur de la transcription des gènes des codant pour une désaturase d’acide gras (Δ5 desaturase). Cette dernière permet la production d’acides gras insaturés afin de restaurer la fluidité de la membrane. Suite à cette modification de la membrane, DesK repassera alors en état phosphatase, caractérisé par un arrêt de la transcription des gènes des (Saita et al., 2015).
DesK est dépourvue de domaines extracellulaires mais comporte cinq hélices transmembranaires, dont la dernière s’étend dans le cytoplasme jusqu’au domaine kinase de classe I (HisKA_3) (Albanesi et al., 2009; Trajtenberg et al., 2010; Saita et al., 2015).
1. La région membranaire de DesK
Diverses délétions de la région membranaire ont montré que le domaine senseur et de transduction de signal pouvaient être contenus en un seul segment membranaire. En effet, la partie N-terminale de la première hélice transmembranaire peut être fusionnée à la partie C- terminale de la 5ème hélice transmembranaire sans affecter la capacité de DesK à percevoir la modification de la membrane, ni la transduction de signal (Cybulski and Mendoza, 2011). Dans la partie N-terminale de la membrane de ce ‘senseur minimaliste’, un motif constitué de deux acides aminés hydrophiles (K10 et N12) semble être impliqué dans la perception de
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l’épaisseur de la membrane. En effet, ces derniers sont situés juste en-dessous de l’interface eau-lipide et sont essentiels pour l’activité de DesK (Fig. 61 et 62). Il a été proposé que ces acides aminés agissent comme une bouée, stabilisant la position du segment transmembranaire. En effet, leurs chaines latérales peuvent s’étendre jusqu’à l’interface hydrophile eau-membrane. Pour cette raison, ce motif a été appelé ‘SB’ pour ‘sunken-buoy’ (bouée immergée) (Cybulski et al., 2015).
De plus, en position C-terminale du segment transmembranaire, trois serines sont importantes pour l’activité. En effet, la formation d’un serine zipper semble observable après une diminution de la température. Notons qu'à 37°C, il a été proposé que ces sérines interagiraient avec la surface hydrophile de la membrane (Fig. 61, Cybulski et al., 2015).
Figure 61 : Représentation schématique du fonctionnement du senseur minimaliste de DesK. En partie N-terminale du segment transmembranaire, le motif hydrophile SB est retrouvé (K10, N12 en rouge). La partie C- terminale du segment transmembranaire présente le motif hydrophile composé des trois sérines (S23, S30 et S33 en bleu). A 37°C, la membrane est fluide, ces trois sérines interagiraient avec la surface hydrophile de la membrane. DesK est alors en mode phosphatase. Une diminution de la température augmente l’épaisseur de la membrane, permettant ainsi la formation du motif serine-zipper et le passage en mode kinase. Extrait de Cybulski et al., 2015.
2. La région sous-membranaire de DesK
De nombreuses charges (séquence KSRKERERLEEK) sont retrouvées dans l’hélice α qui connecte les domaines senseurs transmembranaires au domaine catalytique cytoplasmique (Fig. 62). Il a été proposé que ce linker adopte deux états conformationnels en réponse au changement d’épaisseur de la membrane (Inda et al., 2014).
Figure 62 : Séquence de DesK sous sa forme minimaliste dépendante de la température. Sur ce schéma, sont représentés le domaine N-terminal, la membrane avec le motif SB entouré en rouge, le linker et le domaine catalytique. A 25°C, la membrane est épaisse, enfouissant ainsi le motif SB dans un environnement hydrophobe. A cette température, le domaine catalytique présente une activité kinase. A 37°C, la membrane est plus fine permettant ainsi d’exposer le motif SB à l’interface eau-lipide, DesK est alors en état phosphatase et déphosphoryle DesR. Extrait de Inda et al., 2014.
Ainsi, ce linker pourrait interagir avec les têtes des phospholipides et adopter une conformation ‘déstructurée’ caractérisée par une hélice discontinue lorsque l’épaisseur de la membrane est faible (37°C) ou adopter une conformation en hélice α continue après augmentation de l’épaisseur de la membrane (25°C). La conformation déstructurée serait stabilisée par des interactions électrostatiques entre les résidus chargés positivement du linker et les lipides membranaires chargés négativement. La conformation en hélice serait stabilisée
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par la formation de ponts salins intra-hélices entre des résidus de charges opposées (Fig. 63) (Inda et al., 2014).
Figure 63 : Modèle d’activité de DesK suite à des changements de température. Le passage de l’état kinase vers l’état phosphatase et inversement dépendrait de l’interaction de la région chargée du linker (en vert) avec les têtes des lipides en surface de la membrane. L’augmentation de l’épaisseur de la membrane suite à une diminution de la température, entrave ces interactions, ce qui favorise la continuité de l’hélice entre le segment transmembranaire et le domaine kinase. Des interactions réversibles du linker avec les lipides de la membrane interviendraient ainsi dans le passage d’un mode à l’autre. Extrait de Inda et al., 2014.
Il a ensuite été proposé que la portion qui connecte le segment transmembranaire et le domaine DHp de la kinase forme un coiled coil (Fig. 64). Ce dernier correspondrait à une hélice de signalisation (‘S-helix’, voir ci-dessus). Récemment, le modèle d’une transition entre hélice et segment déstructuré, présenté ci-dessus, a été remis en cause. Un mécanisme alternatif est basé sur des transitions entre stabilisation et déstabilisation du coiled coil précédant le domaine kinase. Ainsi, lorsque la membrane est fluide, le domaine transmembranaire va stabiliser le coiled coil et le domaine catalytique en une conformation compacte et rigide, avec les domaines CA liant l’ATP attachés au domaine DHp. Cette conformation inhibe l’activité kinase, la surface du DHp peut alors interagir avec DesR phosphorylé. Le coiled coil est stabilisé grâce à des contacts internes hydrophobes, les résidus chargés restant exposés au solvant. Après une diminution de la température, la membrane devient plus épaisse, imposant un stress sur le coiled coil qui va aboutir à la libération du domaine portant l’ATP et ainsi permettre l’activité kinase. Le passage de l’état phosphatase à kinase serait caractérisé par une rotation de 90° de chacune des hélices, permettant ainsi l’exposition de plusieurs résidus hydrophobes, tandis que les résidus chargés seront retrouvés au centre de l’enroulement d’hélices. Ce modèle de stabilisation/déstabilisation est en accord avec un grand nombre de résultats déjà décrits ainsi qu’avec le modèle de serine zipper. La formation de ce dernier permettrait la stabilisation du coiled coil et serait dépendante de la rotation de 90° des hélices. Le serine zipper serait ainsi formé en mode phosphatase, contrairement au modèle précédent (Saita et al., 2015).
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Figure 64 : A. Topologie de DesK déterminée à partir de structures connues, de prédictions de structure secondaire et de formation de coiled coil. Des structures de l’état phosphatase (B, code PDB 3EHJ) et de l’état kinase (C, code PDB 3GIE) sont présentées. Adapté de Saita et al., 2015).
Ainsi, la régulation de l’activité de DesK dépendrait de la conformation du linker précédant la kinase. Une stabilisation de ce coiled coil favorise l’état phosphatase tandis qu’une déstabilisation permet l’état kinase. Des mouvements de rotations des hélices sont impliqués dans le passage entre ces deux états du coiled coil (Saita et al., 2015).