Enzymes
Groupe des hydrolases (EC 3)
GTPases : DSP (superfamille de la dynamine)
DSP et dynamine : différences de structure

Ces molécules s'assemblent en réseaux polymériques régulés par leur activité GTPasique stimulée par l'assemblage.

La dynamine ayant été étudiée de façon détaillée, tant du point de vue structurel que fonctionnel (modèles de fission et partenaires), ce chapitre traite des similitudes et des différences des structures des autres DSP par rapport à cette GTPase.

Structures des DSP

Leur structure est très proche de celle de la dynamine (structures de quelques DSP).

Domaine G

Le domaine G contient des insertions qui intensifient le repliement classique et leur confèrent des propriétés biochimiques et biophysiques spécifiques.

Les membres de la superfamille de la dynamine (DSP) sont quelquefois appelés grandes GTPases, i.e. leur domaine G comprend environ 300 acides aminés contre 180 acides aminés pour petites GTPases.

DSP de fission

Dans les DSP de fission, la dimérisation des domaines G forment des réseaux hélicoïdaux comme dans le cas de la dynamine (propriétés de la dynamine).

DSP de fusion

1. En général, dans les DSP de fusion, les réseaux sont le plus souvent plats, comme ceux élaborés par les mitofusines mammaliennes (fusion mitochondriale)

• la dimérisation se produit entre les bicouches membranaires apposées.
• Leur interface beaucoup plus réduite pourrait expliquer la faible affinité pour les nucléotides guanidiques et un taux d'hydrolyse GTPasique beaucoup plus faible.

2. Dans certains DSP tels que Drp1 (Dynamin-related protein 1) et Mx (Myxovirus resistance), la dimérisation du domaine G dépendante des nucléotides et l'hydrolyse coopérative du GTP peuvent aussi se produire lors de l'auto-assemblage en solution.

Tige

La tige (stalk), formée de quatre hélices (excepté l'atlastine qui n'en a que trois), sert à l'assemblage du réseau.

DSP de fission

1. Dans les DSP de fission, comme la dynamine, la dimérisation est effectuée grâce aux tiges.

• Les tiges forment une croix (interface 2 hautement conservée).
• Les interactions entre les dimères de la tige, par les interface 1 et 3, assurent l'auto-assemblage hélicoïdal (Oligomérisation de la dynamine).

Dans Drp1 (Dynamin-related protein 1) et Mx (Myxovirus resistance), une quatrième interface (interface 4) à mi-chemin de la tige participe également aux interactions dimères-dimères latéraux.

2. Les tiges se lient à divers éléments qui entrent en interaction avec la membrane comme :

• le domaine PH de la dynamine,
• leurs pendants, les inserts, comme dans Drp1.

Les tiges, par ces interactions membranaires, contrôlent par un mécanisme inhibiteur l'auto-assemblage.

• Ces ancrages obstruent stériquement l'accès à l'interface 3 et empêche l'auto-assemblage prématuré de ces DSP en l'absence d'interactions spécifiques de la membrane cible.
• L'association stable avec la membrane expose l'interface 3.

DSP de fusion

1. Les DSP de fusion sont des monomères qui se dimérisent de manière réversible via leurs domaine G et leurs tiges par une coopération active des nucléotides pour former des réseaux hélicoïdaux ou plats.

2. Les tiges des DSP de fusion, comme celles de BDLP (Bacterial Dynamin-Like Protein) ou celles des mitofusines Mfn1/2 sont séparées en deux moitiés, reliées par une région flexible (boucle) qui forme une charnière.

• HB1 (cou) et HB2 (tronc) de BDLP adoptent une configuration en forme de U courbée l'une par rapport à l'autre lors de l'hydrolyse du GTP (A bacterial dynamin-like protein 2006 et Structure of a Bacterial Dynamin-like Protein Lipid Tube Provides a Mechanism For Assembly and Membrane Curving 2009).
• La base de HB2 est connectée à des éléments qui s'intègrent à la bicouche membranaire (comme les segments transmembranaires - TM - de Mfn1/2 et la palette de BDLP)

BSE (Bundle signaling élément)

1. Dans les DSP de fission, le BSE (Bundle signaling élément) connecte le domaine G à l'extrémité distale de la tige.

Le BSE subit un réarrangement conformationnel par rapport au domaine G au cours des cycles d'hydrolyse coopérative du GTP (modèles de fission de la dynamine).

2. Les DSP de fusion contiennent la charnière flexible sensible aux nucléotides au rôle fonctionnel identique.

Inserts A et B des DSP " anciens "

DSP de fission

Les DSP dits " anciens ", i.e. phylogénétiquement, comportent des inserts polypeptidiques intrinsèquement désordonnés, appelés aussi domaines variables, qui jouent un rôle dans régulation de leur fonction comme dans :

• 

  Drp1 mammalien ou Dnm1p de la levure (Structural insights into oligomerization and mitochondrial remodelling of dynamin 1‐like protein 2013),
• Vps1p de la levure (Dynamin-related proteins Vps1p and Dnm1p control abundance in Saccharomyces cerevisiae 2006).

1. Par exemple, Drp1, la protéine de fission mitochondriale, contient deux inserts.

L'insert A, dit aussi 80-loop, dans son domaine G, régule sa dimérisation et est essentiel à son activité coopérative GTPase,

L'insert B, désordonné lui aussi, mais beaucoup plus grand, dans le lien entre le domaine " middle " et le GED, se lie à la cardiolipine, phospholipide membranaire spécifique de l'IMM (Inner Mitochondrial Membrane) et inhibe automatiquement l'auto-assemblage (oligomérisation de la dynamine).

Le domaine variable de Dnm1p de la levure, orthologue de Drp1 avec seulement 9% d'homologie, entre en interaction avec des adaptateurs protéiques qui recrutent Dnm1p à la surface mitochondriale (Conformational changes in Dnm1 support a contractile mechanism for mitochondrial fission 2011).

Vps1p de la levure se lie aux lipides et aux partenaires de liaison à domaine SH3 pour remodeler la membrane.

Ces inserts des " anciens " DRP sont les domaines précurseurs fonctionnels de la dynamine, DSP " moderne " :

• le domaine PH, retrouvé dans la pleckstrine, protéine des plaquettes, qui se lie au PI(4,5)P2 ou PIP2 membranaire, et régule aussi, par ses boucles hydrophobes, l'autoassemblage et la fission, comme le fait l'insert B de Drp1.
• Le domaine PRD (riche en proline et en arginine) C-terminal de la dynamine qui se lie au domaine SH3 ou aux domaines BAR de nombreux partenaires de liaison.

DSP de fusion

1. OPA1 mammalien et Mgm1p (orthologue de la levure), DSP de fusion, en particulier des membranes mitochondriales internes (IMM), contiennent un domaine transmembranaire (TM) amino-terminal relié à un domaine G localisé dans l'espace intermembranaire - IMS, InterMembrane Space - (Membrane Tethering and Nucleotide-dependent Conformational Changes Drive Mitochondrial Genome Maintenance (Mgm1) Protein-mediated Membrane Fusion 2012).

2. OPA1, comme les protéines de fission (dynamine et Drp1) contient un domaine " middle " et un domaine GED connectés par une région polypeptidique intrinsèquement désordonnée qui rappelle l'insert B Drp1.

Ce domaine variable OPA1 semble également être impliqué dans sdes interactions spécifiques avec la cardiolipine (OPA1 disease alleles causing dominant optic atrophy have defects in cardiolipin-stimulated GTP hydrolysis and membrane tubulation 2010).

L'OPA1, dans sa version longue (L-OPA1), ancré dans le domaine transmembranaire et reliant les deux surfaces mitochondriales internes, permettrait la fusion par des interactions membranaires secondaires régulées par le domaine variable.

• L'ancre transmembranaire subit une excision protéolytique régulée pour libérer une forme soluble plus courte (S-OPA1) qui peut fonctionner dans la fission membranaire ( formes d'OPA1).
• En effet, l'activité de l'OPA1 a été impliquée à la fois dans la fusion de la membrane interne mitochondriale et dans la fission

Interactions des DSP