Enzymes
Groupe des hydrolases (EC 3)
ATPases : P-ATPases
P4-ATPases : vue d'ensemble et structure

Les P-ATPases, ou ATPases de type P, sont un grand groupe de pompes ioniques et lipidiques que l'on trouve dans les bactéries, les archées et les eucaryotes.

Vue d'ensemble des P4-ATPases

1. Les P4-ATPases font passer les phospholipides de part et d'autre des membranes cellulaires, flip-flop signifie basculer en anglais, d'où leur classification dans les flippases (P4-ATPases as Phospholipid Flippases--Structure, Function, and Enigmas 2016).

Les flippases proprement dites déplacent les lipides de l'extérieur des membranes vers l'intérieur, i.e. milieu extracellulaire vers cytosol, ou cytosol vers le lumen des organites.

2. Ce processus, dans le cas des P4-ATPases comme dans celui des transporteurs ABC, la deuxième grande famille de flippases, fait appel à l'ATP.

Les lipides qui sont synthétisés dans les cellules sont incorporés dans des membranes au sein du feuillet interne, d'où des flippases peuvent les transférer dans le feuillet externe moyennant l'hydrolyse d'une molécule d'ATP.

$\ce{Feuillet phospholipidique 1 + ATP + H2O}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Feuillet phospholipidique 2 + ADP + Pi}$

Remarque : le cholestérol, un lipide majeur de la membrane plasmique, peut se déplacer librement entre les deux feuillets, mais est susceptible d'être plus concentré sur le feuillet exoplasmique en raison de son affinité pour la sphingomyéline (SM) et les glycosphingolipides.

3. Le mécanisme des P4-ATPases, est une propriété essentielle pour une grande variété de processus cellulaires comme (P4 ATPases: Flippases in Health and Disease 2013) :

• la détermination de la forme et de la dynamique des cellules et des organites,
• le bourgeonnement et le trafic des vésicules,
• la signalisation cellulaire,
• la coagulation sanguine,
• l'apoptose,
• l'homéostasie de la bile et du cholestérol,
• la survie des cellules neuronales.

Classification des P4-ATPases

1. Les P4-ATPases comprennent une famille d'ATPases de type P de 14 membres chez l'homme réparties en classes (P4 ATPases - The physiological relevance of lipid flipping transporters 2010) :

• classe 1a avec ATP8A1 et A2,
• classe 1b avec ATP8B, B2, B3 et B4,
• classe 2 avec ATP9A et 9B,
• classe 5 avec ATP10A, B et D,
• classe 6 avec ATP11A, B et C.

2. Les P4-ATPases peuvent être subdivisées en deux groupes :

• celles qui transportent la phosphatidylsérine (PS) et la phosphatidyléthanolamine (PE) à travers la membrane plasmique ou les membranes intracellulaires,
• celles qui sont spécifiques de la phosphatidylcholine (PC).

Structure des P4-ATPases

Les P4-ATPases possèdent une sous-unité α comme les autres P-ATPases avec en plus, une sous-unité β.

La P4-ATPase la plus étudiée actuellement est Drs2p, sous-unité α d'une flippase de la levure nécessaire au bourgeonnement des vésicules de transport à partir du réseau trans-Golgi (TGN) qui a pour sous-unité β Cdc50p.

Sous-unité α

La sous-unité α comprend plusieurs domaines.

1. Le domaine transmembranaire (M) possède un noyau central à 10 hélices α (M1-M10), i.e. M1-M6 étant commun à toutes les P-ATPases.

L'extension cytoplasmique C-terminale de la sous-unité α contient un domaine régulateur (R) ou autoinhibiteur.

2. Les domaines cytoplasmiques comprennent les trois domaines classiques des P-ATPases, impliqués dans le cycle catalytique de l'ATP similaires à ceux de la Ca⁺⁺-ATPase et de Na⁺/K⁺-ATPases.

• 

  Le domaine de liaison aux nucléotides (N) se lie avec l'ATP.
• Le domaine de phosphorylation (P) contient le résidu d'acide aspartique (D) dans le motif DKTGT conservé qui subit une phosphorylation transitoire.
• Le domaine actuator (A), actionneur en français, i.e. qui transforme l’énergie qui lui est fournie en un phénomène physique, contient le motif DGET (TGES dans Ca⁺⁺-ATPase et Na⁺/K⁺-ATPase) qui facilite la déphosphorylation de l'intermédiaire phosphorylé.

Sous-unités β

1. La sous-unité β, i.e. protéine CDC50, comprend deux hélices transmembranaires dont l'ectodomaine se replie en deux lobes asymétriques, i.e. elle est absente dans ATP9A et 9B.

• Chez les humains, trois CDC50, i.e. CDC50A, -B et -C, appelées aussi TMEM30A, -B, et C, sont présentes (CDC50 Proteins Are Critical Components of the Human Class-1 P4-ATPase Transport Machinery 2010).
• Chez la levure ce sont les Cdc50p, Lem3p, et Crf1p.

La majorité des P4-ATPases utilisent la CDC50A, certaines comme ATP8B1, ATP8B2, et ATP8B4 peuvent s'associer aussi avec CDC50B sans que l'on en connaisse la conséquence physiologique CDC50C est trouvé dans les testicules.

Cette sous-unité est nécessaire pour la localisation et la fonction des P4-ATPAses (CDC50 Proteins Are Critical Components of the Human Class-1 P4-ATPase Transport Machinery 2010 et Critical Role of the β-Subunit CDC50A in the Stable Expression, Assembly, Subcellular Localization, and Lipid Transport Activity of the P4-ATPase ATP8A2 2011).

2. Les protéines CDC50 sont des glycoprotéines membranaires relativement petites contenant environ 350 acides aminés.

La stabilité de la structure est assuré par :

• quatre sites de glycosylation (Critical Role of the β-Subunit CDC50A in the Stable Expression, Assembly, Subcellular Localization, and Lipid Transport Activity of the P4-ATPase ATP8A2 2011),
• deux liaisons disulfure (Mapping Functional Interactions in a Heterodimeric Phospholpid Pump 2012).

Le pli est similaire à celui de la seipine, protéine de liaison lipidique, bien que les boucles de Cdc50p soient considérablement plus longues.

3. Les deux hélices TM de Cdc50p interagissant étroitement les uns avec les autres et avec TM10.

4. En l'absence d'expression de CDC50, les P4-ATPases ne parviennent pas à sortir du RE, i.e. elles sont mal pliées, et sont incapables de subir une phosphorylation ou une hydrolyse de l'ATP dépendante des phospholipides.

Néanmoins, l'étude de Drs2P/Cdc50p a permis d'éclaircir un peu son rôle.

Interactions entre sous-unités α et β

Drs2p et Cdc50p ont de nombreuses interactions.

1. Du côté luminal de Drs2p, les interactions sont les plus étendues, i.e. l'ectodomaine de Cdc50p interagit avec toutes les boucles luminales en dehors de la boucle TM1-2.

La boucle TM3-4 en particulier s'étend dans un site d'interaction à l'ectodomaine de Cdc50p.

Des mutations dans cette boucle aboutit à une flippase intacte mais non fonctionnelle (Identification of residues defining phospholipid flippase substrate specificity of type IV P-type ATPases 2011).

2. Les contacts des régions transmembranaires semblent être moins nombreux, car seul TM10 de Drs2p interagit avec les hélices de Cdc50p.

3. Du côté cytosolique, l'extrémité N-terminale de Cdc50p s'enroule autour du domaine TM de Drs2p et établit des contacts avec le segment (résidus 529-538) qui relie TM4 et le site de phosphorylation du domaine P.

• Ce segment est plus long de 10 résidus dans les P4-ATPases que dans les P2-ATPase, où TM4 couple la chimie au site de phosphorylation avec la conformation modifications du domaine TM.
• Le segment TM4 ainsi que la boucle TM3-4 sont nettement plus courts dans les flippases lipidiques Neo1p et homologues qui ne se lient pas aux sous-unités Cdc50p.

• à l'état de phosphorylation du domaine P du côté cytosolique,
• à la détection de la conformation du domaine transmembranaire par le contact avec la boucle TM3-41 et autres boucles du côté luminal.

Mécanisme des P4-ATPases