Enzymes
Groupe des hydrolases (EC 3)
GTPases : domaine G

Le domaine G est responsable de changements de conformation dépendant des nucléotides : il agit comme un commutateur moléculaire (switch) entre l'état désactivé lié au GDP (" off ") et l'état activé lié au GTP (" on "), par la réaction :

$\ce{GTP + H2O}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{GDP + Pi}$

Le domaine G est de longueur variable suivant les GTPases :

• environ 300 acides aminés chez les grandes GTPases comme les membres de la superfamille de la dynamine ;
• environ 180 acides aminés chez les petites GTPases.

Les protéines G (ou GNBP, guanine nucléotide-binding protein) sont impliquées dans la transmission de signaux intracellulaires ou entre le milieu extra et intracellulaire.

Structure du
domaine G

1. Le domaine G comporte :

• 6 brins β (en orange),
• 5 hélices α (en bleu),
• 5 boucles les interconnectant.

Nous décrivons le domaine G de la famille des Ras (Ras history The saga continues 2010) : ceux des autres familles sont peu différents.

2. Ce domaine G (165 acides aminés) se compose de 5 domaines ou boxes qui sont impliqués dans la liaison avec la guanine et l'ion Mg⁺⁺.

G1

G1 contient la P-loop ou boucle P (GxxxxGKS/T : 10-17) qui enserre le groupe phosphate dans une cavité et qui correspond au motif A de Walker, aussi appelé Walker loop ou mononucleotide-binding domain (Classification and Evolution of P-loop GTPases and Related ATPases 2002).

Cette boucle est riche en résidus de glycine et est localisée entre le premier brin du feuillet β (β sheet) et la première hélice α.

• Les atomes d'azote de la chaîne principale interagissent étroitement avec les phosphates chargés négativement.

• 

  La lysine (K), cruciale pour la liaison au nucléotide, interagit directement avec les oxygènes des phosphate β du GDP (et GTP) et du phosphate γ terminal du GTP.
• Le groupe hydroxyle (-OH) de la sérine (S) (S) ou la thréonine (T) contacte l'oxygène du phosphate β et l'ion Mg⁺⁺.

G2

1. G2 comporte le Switch I (32-38), un des interrupteurs, région qui change de conformation lors de l'échange GDP/GTP. On parte aussi de domaine effecteur ou core effector domain : 32-40).

• G2 contient la Thr35 (dans H-Ras) qui se lie au γ phosphate terminal du GTP et au Mg⁺⁺.
• Cette thréonine (T) jouerait un rôle dans l’orientation de la boucle qui porte le motif B de Walker (G3) et interviendrait dans la coordination de l’ion magnésium catalytique, mais également dans l’interaction avec les effecteurs.

Switch I est une des connections entre les domaines Ras-like et AH des sous-unités α des protéines G.

2. Le motif G2 est très conservé pour une famille GTPase donnée, les RAS par exemple, mais pas entre les différentes familles comme les RGK (Rem, Rad et Kir), qui présentent des caractéristiques structurelles conservées qui les distinguent de la autres protéines Ras (The RGK family of GTP-binding Proteins: Regulators of Voltage-dependent Calcium Channels and Cytoskeleton Remodeling 2009).

G3

1. G3 (Switch II) contient le motif DxxG (57-60), qui correspond au motif B de Walker.

• Asp57 (acide aspartique) se lierait à la guanine, mais pas forcément au magnésium catalytique, bien qu'il soit très proche.
• Glu60 (acide glulutamique dans Switch II, résidues 59–67 chez H-Ras) activerait l'hydrolyse de GTP en GDP, via une liaison hydrogène avec l'oxygène du γ phosphate.

2. G3 est souvent impliqué dans les interactions effectrices en jouant un rôle dans l'échange des nucléotides par les GEF et la stimulation de l'hydrolyse du GTP par les GAP.

G4

1. G4 contient le motif N/TKxD (116-119)

Ce motif apparaît dans une boucle à la fin d’un brin β hydrophobe (souvent le 6^ème brin) et aussi impliqué dans la stabilisation de la base du nucléotide.

• Le groupement carboxylique ($\ce{–C(O)OH}$) de l’aspartate (D) interagit avec le groupement amine ($\ce{-NH2}$) de la base.
• Les protons du groupement amide de l’asparagine (N) contacte l'oxygène de la purine.

L'asparagine (N) et la lysine (K) conservée stabilisent le site de fixation du nucléotide en interagissant avec les acides aminés de la région G1.

2. G4 et une boucle de stabilisation intervient dans la dimérisation des domaines G, comme dans la dynamine.

G5

1. G5 (guanine cap ou coiffe de guanine), qui n’est pas présent chez toutes les GTPases, mais qui apparaît par exemple dans la dynamine ou Drp1, contient le motif SAX ou SAK - S/CAK/L/T - (145-147), dans une boucle autour du 7ème brin β se liant à la guanine.

• 

  L'amine de l'acide aminé central interagit avec l'oxygène de la base de la guanine.
• La chaîne latérale de la sérine stabilise l’aspartate et l’asparagine du motif G4 par une liaison hydrogène.

Les DSP (Dynamin Superfamily Protein) de fusion comme Mfn1/2 qui ne possèdent pas de de G5 présentent une affinité nettement inférieure pour le GTP.

2. L'insert de la famille Rho entre le brin β5 et l'hélice α4, absent dans les membres de cette famille, forme une courte hélice qui sort du reste du domaine G et ne change pas sa position lors de l'échange de nucléotides.

Remarque : attachée à G5, une région hypervariable (HVR) ne faisant pas partie du domaine G (166-188/189 chez Ras) contient un linker et une région C-terminale qui permet d'achever l'attachement membranaire par une modification post-traductionnelle, via des queues lipidiques.

Dimérisation du domaine G

1. L'homodimérisation du domaine G par la poche de liaison aux nucléotides est lié à une hydrolyse coopérative du GTP.

2. Les mécanismes catalytiques peuvent varier suivant les GTPases par rapport à celui de la famille des Ras.

Par exemple, dans la majorité des DSP (Dynamin Superfamily Protein) comme la dynamine ou Drp1, un cation monovalent externe (Na⁺ ou K⁺), stabilisé par une sérine conservée (S41) dans la boucle P, est repositionné lors de la dimérisation du domaine G pour annuler la charge négative lors de l'hydrolyse du GTP.

Chez d'autres DSP, comme les atlastines et les GBP, une arginine interne (" arginine finger "), localisée au même endroit a exactement le même rôle (Invited Review Mechanisms of GTP Hydrolysis and Conformational Transitions in the Dynamin Superfamily 2016).