Domaines protéiques d'interaction membranaire
Domaines BAR : structure

BAR vient de Bin/Amphiphysin/Rvs : Bridging Interactor et Amphiphysine chez les métazoaires, Reduced viability upon starvation Rvs161 and Rvs167 chez les levures (The BAR Domain Superfamily  : Membrane-Molding Macromolecules 2009).

Ces molécules, donnant une forme aux membranes et en particulier la forme en " banane " (banana-shape) -lors de dimérisation, sont hautement conservées par l'évolution : pour une revue complète, voir " The BAR Domain Proteins: Molding Membranes in Fission, Fusion, and Phagy 2006 ".

Courbures membranaires

Pour bien comprendre les courbures membranaires et leur sens, j'ai du me référer à l'excellent article : Membrane curvature and its generation by BAR proteins 2012.

Le signe de la courbure membranaire est tout à fait arbitraire : il se réfère à un observateur qui serait placé dans le cytoplasme.

• Les membranes planes n'ont pas de courbure (courbure 0).
• Les invaginations, qui pénètrent dans le cytosol, possèdent une courbure positive.
• Les saillies hors du cytosol ont une courbure négative.

Pour un tubule, formé et contraint par des protéines, la courbure est positive le long de la face latérale du cylindre et nulle le long de l'axe tubulaire.

Structure

Les modules BAR, dimères de domaines BAR, sont des protéines échafaudages (scaffold protein) qui peuvent être subdivisés en plusieurs classes selon la courbure qu'elles donnent à la membrane (Mechanisms of membrane deformation by lipid-binding domains 2009).

• 

  Les facteurs de cette homodimérisation sont largement inconnus, mais permettent la régulation de ces protéines.
• En effet, cette dimérisation est essentielle pour courber la surface membranaire.

Les reconstructions au microscope électronique ont permis de démontrer les différents mécanismes qui peuvent courber la membrane (cf. figure ci-contre) :

• des mécanismes d'échafaudagge (scaffolging mechanism) : des résidus du dimère chargés positivement interagissent avec la bicouche de lipides chargés négativement de la membrane (Structural Basis of Membrane Invagination by F-BAR Domains 2008) et contraignent la forme de la membrane
• des mécanismes " d'enfoncement d'un coin " (wedging mechanism), comme l'hélice amphipathique des N-BAR, qui déplace les lipides de la couche interne pour " plier " la membrane vers le domaine BAR.

Modules BAR classiques

Les modules BAR classiques incurvent les membranes selon une forte courbure positive.

Selon le domaine additionnel qui se lie à la membrane, les protéines correspondantes comprennent différents domaines.

1. Le domaine N-BAR possède une hélice amphipathique N-terminale qui précède le domaine BAR.

• Cette hélice (comme l'hélice α0 du domaine ENTH de l'epsine) s'insère entre les couches de la membrane plasmique pour l'incurver.

• 

  Si on retire les résidus 1 à 26 de la partie N-terminale, cette hélice ne se forme plus. Le module BAR stabilise l'incurvation.

L'amphiphysine a été la première structure du module BAR à être décryptée (BAR Domains as Sensors of Membrane Curvature: The Amphiphysin BAR Structure 2004). Elle est composée :

• d'un domaine N-BAR qui s'homodimérise pour former un module BAR dont l'hélice terminale s'insère entre les deux couches de la membrane plasmique pour incurver sa surface (comme le domaine ENTH de l'epsine).
• un domaine central CLAP (CLathrin and AdaPtor binding domain),
• un domaine SH3 C-terminal qui se lie avec le domaine PRD (PR ou PRD : riche en proline) de la dynamine (ProSerArgProAsnArg).

Chaque monomère est un enroulement en spirale de trois longues hélices α, formant un faisceau de six hélices autour de l'interface du dimère, en forme de banane.

• La courbure du dimère est due d'une part au croisement des monomères, et d'autre part, aux anomalies dans les hélices 2 et 3.
• L'interface entre les monomères est en grande partie hydrophobe.

D'autres protéines ont été découvertes comme :

• l'arfaptine, découverte en premier et qui courbe le plus la membrane (The BAR Domain Protein Arfaptin-1 Controls Secretory Granule Biogenesis at the trans-Golgi Network 2012).
• l'endophiline (The structure and Function of Endophilin Proteins 2013), qui comporte aussi un domaine SH3, qui interagit avec le domaine PRD (riche en proline),
• Bin2,
• la nadrine (RICH), GTPase neuronale impliquée dans l'exocytose.

2. Le domaine PH-BAR (Pleckstrin Homology-BAR) contient un domaine PH (Pleckstrin Homology) comme dans APPL1.

3. Le domaine PX-BAR (PhoX-BAR) comprend un domaine PX comme dans les nexines.

Modules F-BAR

Les modules F-Bar (FCH-BAR, Fes/CIP4 Homology-BAR ou EFC/F-BAR pour FCH Extended Homology) induisent différentes courbures positives, mais moins importantes (F-BAR domain proteins 2010).

Ce sont les modules les plus fréquents : 6 sous-familles et 36 protéines chez l'homme (F-BAR domains: multifunctional regulators of membrane curvature 2008).

Le domaine F-BAR est formé par un domaine FCH (Characterization of the EFC/F-BAR domain protein, FCHO2 2011), trouvé très souvent sur le domaine N-terminal des protéines, suivi par une superhélice (coiled coil).

• Il se lie aux membranes lipidiques (en particulier à la phosphatidylsérine et les phosphoinositides) et peuvent tubuler les lipides.
• La FCho1, la FCho2, CIP4/FBP17/Toca1 (Cdc42 interacting protein 4 (CIP4) is essential for integrin-dependent T-cell trafficking 2010) et les syndapines ou PACSIN - protein kinase C And casein kinase II interacting protein - (Syndapin – a membrane remodelling and endocytic F-BAR protein 2013) contiennent un domaine F-BAR.

Modules I-BAR

Les modules I-BAR (Inverse-BAR ou IMD - IRSp53-MIM homology Domain), contraignent la membrane à se courber négativement.

C'est le cas de IRSp53 (Insulin Receptor Substrate) qui possède (Mechanism of IRSp53 inhibition and combinatorial activation by Cdc42 and downstream effectors 2014) :

• un domaine N-terminal I-BAR, de 250 acides aminés environ, qui peut se lie à Rac
• un domaine CRIB (Cdc42 and Rac Interactive Binding) non-conventionnel appelé car il ne possède que quatre résidus N-terminaux (267-ISDP-270 au lieu de 16 : I-S-x-P-x(2,4)-F-x-H-x(2)-H-V-G - A Conserved Binding Motif Defines Numerous Candidate Target Proteins for Both Cdc42 and Rac GTPases 1995 -) et son domaine C-terminal, riche en proline contribue à son auto-inhibition par sa liaison avec son domaine SH3.

Ce domaine se lie à Cdc42 pour le déplier et exposer le domaine SH3.

• un domaine SH3, qui interagit avec un grand nombre de protéines intervenant dans l'assemblage de l'actine telles que les Ena/VASP, mais aussi mDia (formine), WASP et Eps8,
• une extrémité C-terminale variable qui conduit à plusieurs isoformes avec un domaine WW
  • La forme la plus courte (S) contient un domaine de liaison au domaine PDZ de nombreuses protéines telle Lin7, qui intervient dans la formation de filopodes (LIN7 regulates the filopodium- and neurite-promoting activity of IRSp53 2012).
  • Les autres isoformes (M, L et T) ne contiennent pas ce domaine et les isoformes M et L possèdent un motif WH2 qui peut lier directement l'actine (Structural Basis for the Actin-Binding Function of Missing-in-Metastasis 2007).

IRSp53 est essentiel à la formation des protrusions (filopodes via son activation par Cdc42 et sa liaison avec les Ena/Vasp, mais aussi lamellipodes via Rac 1 et les WAVE et les podosomes), mais aussi des microtubules membranaires (vésicules)

Rôles et régulation