Bioénergétique
AMPK (AMP-activated protein kinase) : structure

Structure de l'AMPK

L’AMPK (AMP-activated protein kinase) est un complexe protéique hétérotrimérique, composé de trois sous-unités, i.e. α, β et γ (AMP‐activated protein kinase: a cellular energy sensor that comes in 12 flavours 2016).

Sous-unités α,

La sous-unité α catalytique, aux isoformes α1 et α2, est responsable de l’activité kinase (phosphorylation).

1. Les sous-unités α contiennent :

• 

  un domaine kinase canonique Ser/Thr (KD), avec son lobe N et son lobe C,
• un domaine autoinhibiteur (AID) qui se place derrière le domaine kinase en se liant à ses deux lobes ( activation de l'AMPK),
• un segment crucial de capteur de nucléotide adénine appelé α-linker,
• un domaine C-terminal interagissant avec une sous-unité β (α-CTD), contenant la boucle ST, qui héberge les sites de phosphorylation proposés pour AKT, PKA et GSK.

2. Le domaine catalytique est activé lors de sa phosphorylation d'une thréonine.

Sous-unité β

La sous-unité β régulatrice, à isoformes β1 ou β2, sert de pont entre α et γ.

1. Une séquence MGNXXS, conservée à l’extrémité N‐terminale, est myristoylée sur Gly2, i.e. groupe myristoyle (acide gras 14/0), ajouté par une liaison amide.

• La privation de glucose provoquait une relocalisation de l’AMPK vers les lysosomes qui augmenterait la phosphorylation de Thr172 et l’activation de l’AMPK en réponse à la privation de glucose (The Lysosomal v-ATPase-Ragulator Complex Is a Common Activator for AMPK and mTORC1, Acting as a Switch between Catabolism and Anabolism 2014).
• En outre, la N-myristoylation pourrait jouer un rôle dans l’élimination sélective des mitochondries endommagées par mitophagie, i.e. la myristoylation de la sous-unité β1 pour aider à la liaison de l’AMPK aux membranes mitochondriales (Myristoylation confers noncanonical AMPK functions in autophagy selectivity and mitochondrial surveillance 2015).

2. Le N-terminus myristoyé est suivi par une séquence d'environ 100 résidus, non déchiffrée à l'heure actuelle.

3. Puis, on trouve un domaine de liaison aux glucides (CBM, carbohydrate-binding module).

a. Par le domaine CBM, l'AMPK pourrait se lier au glycogène dans la cellule (Oligosaccharide recognition and binding to the carbohydrate binding module of AMP-activated protein kinase 2007).

b. Sa fonction n'est pas bien comprise, mais elle pourrait déterminer l’état des stocks énergétiques en glucides selon la quantité ou la conformation du glycogène lié. Cette liaison pourrait moduler l’activité de l’AMPK (The Glycogen-Binding Domain on the AMPK β Subunit Allows the Kinase to Act as a Glycogen Sensor 2009).

• 

  soit en favorisant son activation lorsqu’il y a peu de glycogène,
• soit en inhibant son activité lorsque les réserves de glycogène sont abondantes, assurant ainsi une régulation fine de la réponse énergétique cellulaire.

4. Le domaine C-terminal (β-CTD), connecté à un linker, non résolu au domaine CBM), est le noyau du complexe hétérotrimérique, qui relie les sous-unités α et γ, et se trouve, dans toutes les structures d'hétérotrimères actifs, au-dessus du lobe N de l'α‐KD.

De plus, la fente entre β-CTD et le lobe N de l'α‐KD, appelée site ADaM (Allosteric Drug and Metabolite) formerait le site de liaison des activateurs allostériques de l'AMPK (Structural Basis for AMPK Activation: Natural and Synthetic Ligands Regulate Kinase Activity from Opposite Poles by Different Molecular Mechanisms 2014).

Sous-unité γ

La sous-unité γ régulatrice, à isoforme γ1, γ2 ou γ3, contient quatre sites de liaison pour l’AMP, l’ADP et l’ATP.

1. La sous-unité γ contient quatre domaines CBS (cystathionine-β-synthase), organisés en deux paires formant une structure pseudo-hétéromère appelée domaine Bateman.

a. Ils forment un disque avec quatre fentes pseudo-symétriques qui comprennent, au centre, les sites de liaison pour les nucléotides régulateurs AMP, ADP et ATP.

Chacun contient chacun des résidus d’aspartate conservés qui interagissent potentiellement avec le ribose des nucléotides (AMPK Structure and Regulation from Three Angles 2007).

b. Cependant, le site 2 ne semble pas se lier aux nucléotides.

2. Les nucléotides AMP, ADP et ATP peuvent se lier à ces trois sites (1, 3, 4), mais pas de manière équivalente ( activation de l'AMPK).

• Le site 3 (haute affinité) est le principal site de liaison régulatrice pour l'AMP et l'ATP.
• Le site 1 (basse affinité) contribue aussi à la régulation.
• Le site 4 est le plus souvent constamment occupé par l’AMP, et est considéré comme un stabilisateur conformationnel.

Activation et fonctions de l'AMPK