Enzymes
Groupe des hydrolases (EC 3)
GTPases : DSP (superfamille de la dynamine)
Dynamine : propriétés

Les dynamines ont trois propriétés :

• 1. Elles s'auto-oligomérisent en hélices autour d'un tube membranaire.
• 2. Les changements conformationnels induits par les nucléotides conduisent à une constriction du polymère et donc de la membrane.
• 3. Les dynamines induisent la fission des cols membranaires par l'hydrolyse du GTP.

Oligomérisation
de la dynamine

La première propriété, et la principale, est la capacité de la dynamine de s'oligomériser en anneaux pour former une hélice cylindrique.

Cette oligomérisation explique son activité membranaire, mais aussi la propriété à s'associer à des formes tubulaires, qui facilitent son assemblage.

Ce processus lié aux tubules favorise la courbure de la membrane au niveau des puits endocytaires.

Les cols des puits revêtus de clathrine sont plus larges lorsque le recrutement de dynamine est inhibée.

Vue d'ensemble

En l'absence de nucléotide, la dynamine s'assemble en une couche hélicoïdale de 50 nm de diamètre extérieur avec un pas hélicoïdal entre 10 et 20 nm entourant un tube de membrane de 10 nm de rayon.

Dimérisation

Les polymères de dynamine sont des dimères anti-parallèles :

• les domaines GTPase sont situés à l'extérieur,
• les domaines PH à l'intérieur sont liés à la membrane.

1. La dimérisation est effectuée grâce aux tiges, qui forment une croix (interface 2 hautement conservée) :

• les deux domaines GTPases sont liés d'un côté de la croix,
• l'autre côté est lié aux domaines PH.

2. Cette dimérisation, grâce à des liaisons hydrogènes et des ponts salins, fait intervenir :

• la boucle de stabilisation cis (205-216) et le motif TKLD (205-208) du domaine G4 ;
• la boucle spécifique de la dynamine (DSL, dynamin specific loop, 236-249) ;
• la boucle de stabilsation trans (176-188) avec le switch II (136-153), renforcé par les interactions entre V145 du switch II et les leucines 224 et 225 (patch LL) et par une liaison hydrogène entre N183 et les atomes de la chaîne principale de Q40 dans la boucle P.

Oligomérisation d'ordre supérieur

1. Les interactions entre les dimères de la tige, par les interface 1 et 3, assurent l'auto-assemblage (appelé souvent oligomérisation d'ordre supérieur) hélicoïdal qui produisent le polymère de la taille attendue.

Les preuves ont été apportées par :

• la dynamique moléculaire du processus d'assemblage (Crystal structure of nucleotide-free dynamin 2011),
• l'identification de la position des résidus dans les mutants où cette oligomérisation n'intervient pas (The crystal structure of dynamin 2011),
• par la structure du tétramérique de la dynamine 3 (Crystal structure of the dynamin tetramer 2015).

2. Dans les dynamines non assemblées, le domaine PHD est replié sur la tige, induisant une conformation " fermée " auto-inhibée qui empêche l'oligomérisation au-delà de l'état tétramérique.

• 

  La liaison des domaines PHD au PI(4,5)P2 ou P2 membranaire les déplace de la tige et induit une conformation de dynamine active " ouverte " capable de s'auto-assembler (Identification and function of conformational dynamics in the multidomain GTPase dynamin 2016).
• Bien que l'interaction des dynamines avec PI(4,5)P2 ou P2 soit essentielle pour leur fonction dans l'endocytose, elle n'est pas nécessaire pour les cibler sur les sites endocytaires de la membrana plasmique, qui implique plutôt des interactions entre le domaine PRD de la dynamine et les domaines SH3 des cofacteurs endocytaires (A possible effector role for the pleckstrin homology (PH) domain of dynamin 2009).

3. In vivo, la dynamine se polymérise en oligomères de taille variable au niveau du col de certains puits, dont ceux recouverts de clathrine (Dynamin recruitment and membrane scission at the neck of a clathrin-coated pit 2014 et Actin and dynamin2 dynamics and interplay during clathrin-mediated endocytosis 2014).

Dynamine et GTP

Vue d'ensemble

1. Les deux autres propriétés de la dynamine sont liées à l'utilisation systématique et coopérative de l'énergie de l'hydrolyse du GTP pour :

• la constriction de la membrane
• la fission des vésicules et des tubules membranaires.

La tension membranaire, qui peut être assurée par l'adhérence des tubes membranaires au substrat, facilite la réaction.

• Comme dans la fusion membranaire, la fission médiée par la dynamine passe par un état d'hémi-fission.

2. L'activité basale de la GTPase basale (~ 0,5-2/minute min-1) émane des tétramères qui ne peuvent s'auto-assembler en hélice par des interactions auto-inhibitrices entre les domaines PH et la tige (Crystal structure of the dynamin tetramer 2015).

2. Le BSE (Bundle signaling élément), situé dans le domaine GED, qui relie le domaine G à la tige, subit un réarrangement conformationnel dramatique en réponse à l'état lié au nucléotide.

• Lorsque le GTP est lié (l'état prédominant dans la cellule), le BSE adopte une conformation ouverte et se projette vers l'extérieur, les domaines G étant appariés à l'intérieur.
• Lors de l'hydrolyse du GTP, le BSE adopte une conformation fermée en se repliant contre la face postérieure des domaines G.

• Le domaine PH de la dynamine, qui s'insère partiellement dans la bicouche membranaire via des interactions hydrophobes, facilite probablement la déstabilisation membranaire lors de la fission.
• En effet, Les DSP qui ne possèdent pas ce domaine, contractent, mais ne rompentt pas les membranes.

Auto-assemblage

L'auto-assemblage d'ordre supérieur en polymères hélicoïdaux autour des matrices membranaires contenant du phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate stimule l'hydrolyse du GTP d'au moins 200 fois.

1. L'oligomère hélicoïdal de dynamine a la capacité à se contracter en présence de GTP.

Plusieurs expérimentations, et en particulier, celle avec la dynamine mutante K44A montre un tube membranaire enveloppé par cette forme de dynamine présente un rayon luminal interne < 2 nm (A Dynamin Mutant Defines a Superconstricted Prefission State 2014).

• 

  Cette constriction de l'hélice de dynamine est cohérente avec une torsion du collier hélicoïdal et peut être observée dans d'autres DSP comme Dnm1/Drp1 lors de fission mitochondriale chez la levure (Conformational changes in Dnm1 support a contractile mechanism for mitochondrial fission 2011 et Structural insights into oligomerization and mitochondrial remodelling of dynamin 1‐like protein 2013).
• Cet état super-resserré, i.e. dans des concentrations super-saturantes de GTP et en présence de la dynamine mutante à affinité réduite pour le GTP inhibant partiellement sa GTPase et son activité de fission, est obtenu par l'assemblage d'une hélice à deux départs.

Dans la première description de ce modèle, la dynamine, pendant l'hydrolyse du GTP, se contracterait jusqu'à ce que le col de la membrane atteigne l'état d'hémi-fission et soit complètement rompu.

L'hémi-fission apparaît quand le feuillet interne du tube disparaît, laissant un col de liaison constitué d'une seule monocouche lipidique enveloppée dans une micelle cylindrique (A hemi-fission intermediate links two mechanistically distinct stages of membrane fission 2015).

Cependant, deux résultats d'expériences in vitro ont été en désaccord apparent avec cette vue la plus simple.

• Premièrement, la constriction de la dynamine est nécessaire, mais pas suffisante pour la fission (A Dynamin Mutant Defines a Superconstricted Prefission State 2014). La dynamine pourrait resserrer le tubule membranaire à une taille qui atteint spontanément l'hémi-fission d'une manière dépendante de la tension et de la rigidité qui dépendent de la physique membranaire.
• Deuxièmement, l'hydrolyse du GTP déclenche une dépolymérisation partielle de la couche de dynamine.

Ainsi, la constriction par la dynamine peut ne pas être suffisante à elle seule pour provoquer la fission de la membrane, mais plutôt la dynamine pourrait resserrer le tubule membranaire à une taille qui atteint spontanément l'hémi-fission d'une manière dépendante de la tension et de la rigidité.

2. Dès que la dynamine s'oligomérise, les oligomères de dynamine en solution se désassemblaient lors de l'hydrolyse du GTP (Dynamin Self-assembly Stimulates Its GTPase Activity 1996).

Toutes ces observations ont conduit à deux modèles pour la fission catalysée par la dynamine.

Modèles de la fission et partenaire de la dynamine