Domaines protéiques
Domaines protéiques d'interaction membranaire
Domaines BAR : structure

BAR vient de Bin/Amphiphysin/Rvs : Bridging Interactor et Amphiphysine chez les métazoaires, Reduced viability upon starvation Rvs161 and Rvs167 chez les levures (The BAR Domain Superfamily  : Membrane-Molding Macromolecules 2009).

Ces molécules, en forme en " banane " (banana-shape) lors de dimérisation, sont hautement conservées par l'évolution.

Courbure membranaire

Le signe de la courbure membranaire est tout à fait arbitraire : il se réfère à un observateur qui serait placé dans le cytoplasme.

• Les membranes planes n'ont pas de courbure (courbure 0).
• Les invaginations, qui pénètrent dans le cytosol, possèdent une courbure positive.
• Les saillies hors du cytosol ont une courbure négative.

Remarque : pour un tubule, formé et contraint par des protéines, la courbure est positive le long de la face latérale du cylindre et nulle le long de l'axe tubulaire.

Les différents domaines BAR

Vue d'ensemble

Les domaines BAR forment généralement des homodimères en forme de banane ou de croissant, où chaque protomère est constitué d'une structure enroulée antiparallèle à trois hélices.

• En raison de sa forme incurvée, le domaine BAR est capable de détecter la courbure de la membrane, i.e. de se lier préférentiellement aux membranes incurvées, i.e.
• Ainsi, la forme concave du dimère à domaine BAR est chargée positivement et interagit avec la monocouche cytoplasmique chargée négativement des biomembranes.

1. Les domaines BAR peuvent être subdivisés en plusieurs classes selon la courbure qu'ils donnent à la membrane (Mechanisms of membrane deformation by lipid-binding domains 2009).

• Les facteurs de cette homodimérisation sont largement inconnus, mais permettent la régulation de ces protéines.
• En effet, cette dimérisation est essentielle pour courber la surface membranaire.

2. Les domaine BAR peuvent employer :

• des mécanismes d'échafaudage (scaffolding mechanism) : des résidus du dimère chargés positivement interagissent avec la bicouche de lipides chargés négativement de la membrane (Structural Basis of Membrane Invagination by F-BAR Domains 2008) et contraignent la forme de la membrane en la stabilisant,
• des mécanismes d'enfoncement d'un " coin " (wedging mechanism), comme l'hélice amphipathique des N-BAR, qui déplace les lipides de la couche interne pour " plier " la membrane vers le domaine BAR, et entraine le plus souvent une fission membranaire ( fission passive).

Modules BAR classiques

Les domaines BAR classiques ont une affinité pour les membranes fortement courbées positivement et sont contenus dans plusieurs protéines.

1. Les arfaptines se lient à la petite GTPase Arf1 pour former un dimère allongé en forme de croissant avec une superhélice (coiled-coil) de trois hélices α impliquée dans le bourgeonnement :

• des vésicules au niveau du réseau trans-Golgi (TGN,
• des granules sécrétoires immatures (The BAR Domain Protein Arfaptin-1 Controls Secretory Granule Biogenesis at the trans-Golgi Network 2012 et Arfaptine-1 et biogenèse des granules de sécrétion 2013).

2. ICA69 (Islet Cell Autoantigen 1) est considéré comme un auto-antigène dans le diabète sucré insulino-dépendant et le syndrome de Sjögren primaire.

3. PICK1 (Protein Interacting with C Kinase - 1) contient une hélice amphipathique (AH) interne.

4. DNMBP (DYNamine Binding Protein ou Tuba).

Modules N-BAR

1. Les domaines N-BAR possèdent trois régions fonctionnelles majeures (A time course of orchestrated endophilin action in sensing, bending, and stabilizing curved membranes 2016) :

• l'hélice amphiphile N-terminale (H0), qui assure la liaison à la membrane,
• l'hélice amphiphile insérée dans l'hélice 1 (H1), qui s'insère dans la membrane,
• le domaine structurel, en forme de croissant formé par sa dimérisation, qui coopère avec H1 pour courber la membrane.

2. Les domaines N-BAR possèdent une hélice amphipathique N-terminale qui précède le domaine BAR qui s'enfonce peu profondément dans les membranes.

• Cette hélice, comme l'hélice α0 du domaine ENTH de l'epsine, s'insère entre les couches de la membrane plasmique pour l'incurver.

• 

  Si on retire les résidus 1 à 26 de la partie N-terminale, cette hélice ne se forme plus. Le module BAR stabilise l'incurvation.

3. L'amphiphysine, première structure du module BAR à être décryptée, est composée par (BAR Domains as Sensors of Membrane Curvature: The Amphiphysin BAR Structure 2004) :

• un domaine N-BAR qui s'homodimérise pour former un module BAR avec son hélice amphipathique,
• un domaine central CLAP (CLathrin and AdaPtor binding domain),
• un domaine SH3 C-terminal qui se lie avec le domaine PRD (PR ou PRD : riche en proline) de la dynamine (ProSerArgProAsnArg).

a. Chaque monomère est un enroulement en spirale de trois longues hélices α, formant un faisceau de six hélices autour de l'interface du dimère, en forme de banane.

• La courbure du dimère est due d'une part au croisement des monomères et d'autre part aux anomalies dans les hélices 2 et 3.
• L'interface entre les monomères est en grande partie hydrophobe.

b. Les amphiphysines, qui peuvent se lier avec la dynamine, la synaptojanine, la clathrine et ses adaptateurs, sont impliquées dans l'endocytose clathrine-dépendante.

4. D'autres protéines appartiennent à cette famille, comme :

• l'endophiline , qui comporte aussi un domaine SH3, qui interagit avec le domaine PRD (riche en proline), par exemple de la dynamine (The structure and Function of Endophilin Proteins 2013 et Rôle de la modification des lipides dans la biogenèse de vésicules et la fission 2002).
• Bin1 (Bridging integrator 1), acteur clé dans le contrôle de la courbure, de la mise en forme et du remodelage de la membrane plasmique et requis dans les cellules musculaires pour la formation des tubules en T et lors de l'endocytose rapide endophiline-dépendante (FEME).

• 

  Bin2 (Bridging integrator 2) favorise la motilité et la migration cellulaires, probablement via son interaction avec la membrane cellulaire et avec les protéines du podosome qui interviennent dans l'interaction avec le cytosquelette.
• la nadrine (Rho GTPase activating protein 17), GTPase neuronale impliquée dans l'exocytose et dans le maintien de la jonction serrée en régulant l'activité de CDC42, jouant ainsi un rôle central dans la polarité apicale des cellules épithéliales.

Modules F-BAR

Les modules F-Bar (FCH-BAR, Fes/CIP4 Homology-BAR ou EFC/F-BAR pour FCH Extended Homology) reconnaissent différentes courbures positives, mais moins profondes que les modules précédents (F-BAR domain proteins 2010).

1. Le domaine F-BAR est formé par un domaine FCH (Characterization of the EFC/F-BAR domain protein, FCHO2 2011), trouvé très souvent sur le domaine N-terminal des protéines, suivi par un domaine coiled-coil (superhélice).

Il se lie aux membranes lipidiques, i.e. en particulier à la phosphatidylsérine (PS) et aux phosphoinositides, et peut tubuler les lipides.

2. Le domaine F-Bar est retrouvé dans :

• FCho1 et FCho2 (FCH and mu domain containing endocytic adaptor 2),
• CIP4/FBP17/Toca1 (Cdc42 interacting protein 4 (CIP4) is essential for integrin-dependent T-cell trafficking 2010),
• les syndapines ou PACSINes (Protein kinase C And casein kinase II interacting protein )…

Modules I-BAR

Les modules I-BAR (Inverse-BAR ou IMD - IRSp53-MIM homology Domain) interagissent avec des membranes à courbure négative peu profonde.

Domaines auxiliaires

Des domaines supplémentaires peuvent être trouvés adjacents au domaine BAR quel qu'il soit dans de nombreuses protéines (BAR domain proteins—a linkage between cellular membranes, signaling pathways, and the actin cytoskeleton 2018).

Vue d'ensemble

1. Le domaine SH3 est le plus répandu dans les protéines BAR, i.e. il se lie avec les domaines PRD, i.e. riches en proline (P) :

• d'un grand nombre de protéines intervenant dans l'assemblage de l'actine,
• de la dynamine, i.e. protéine de scission majeure des vésicules.

2. Le domaine PH et le domaine PX confèrent une spécificité de liaison à différents phosphoinositides membranaires.

a. Le domaine PH (Pleckstrin Homology) définit les modules PH-BAR qu'on trouve dans :

• 

  APPL1.
• les GRAF et les oligonéphrines
• les centaurines.

b. Le domaine PX est caractéristique des domaines PX-BAR (PhoX-BAR) comme dans les nexines, en particulier SNX1, 2, 5, 6 qui se retrouvent dans le rétromère canonique et SNX9.

3. Les domaines de liaison aux petites GTPases se retrouvent dans de nombreuses protéines BAR.

a. Des domaines RhoGAP, i.e. activateurs des petites GTPases Rho, sont présents dans  ( BAR domain proteins regulate Rho GTPase signaling 2014) :

• les N-BAR nadrine et oligophrénine et les protéines du
• les F-BAR srGAP1-4, et HMHA1.

b. Un domaine RhoGEF est présent dans DNMBP (Tuba).

c. Des domaines ArfGAP, i.e. activateurs des petites GTPases Arf, sont présents dans  la centaurine et ASAP1.

Illustration : IRSp53

Nous prendrons un exemple parmi tant d'autres.

1. IRSp53 (Insulin Receptor Substrate) comporte plusieurs domaines (Mechanism of IRSp53 inhibition and combinatorial activation by Cdc42 and downstream effectors 2014).

a. Le domaine N-terminal I-BAR, de 250 acides aminés environ, peut se lier à la petite GTPase Rac.

b. Le domaine CRIB (Cdc42 and Rac Interactive Binding) est non conventionnel.

• Il ne possède que quatre résidus N-terminaux (267-ISDP-270 au lieu de 16 : I-S-x-P-x(2,4)-F-x-H-x(2)-H-V-G (A Conserved Binding Motif Defines Numerous Candidate Target Proteins for Both Cdc42 and Rac GTPases 1995).

• 

  Son domaine C-terminal, riche en proline contribue à son auto-inhibition par sa liaison avec son domaine SH3.

Ce domaine se lie à Cdc42 pour le déplier et exposer le domaine SH3.

c. Le domaine SH3 interagit avec un grand nombre de protéines intervenant dans l'assemblage de l'actine telles que les Ena/VASP, mais aussi mDia (formine), WASP et Eps8 (EPS8, an Adaptor Protein Acts as an Oncoprotein in Human Cancer 2013).

d. L'extrémité C-terminale variable conduit à plusieurs isoformes avec un domaine WW.

• La forme la plus courte (S) contient un domaine de liaison au domaine PDZ de nombreuses protéines telles que Lin7, qui intervient dans la formation de filopodes (LIN7 regulates the filopodium- and neurite-promoting activity of IRSp53 2012).
• Les autres isoformes (M, L et T) ne contiennent pas ce domaine et les isoformes M et L possèdent un domaine WH2 qui peut lier directement l'actine (Structural Basis for the Actin-Binding Function of Missing-in-Metastasis 2007).

2. IRSp53 est essentiel à la formation des protrusions :

• les filopodes via son activation par Cdc42 et sa liaison avec les Ena/VASP,
• les lamellipodes via Rac1 et les WAVE,
• les podosomes,
• les microtubules membranaires (vésicules).

Rôles et régulation