AE1 ou Band 3 (bande 3)
Vue d'ensemble et structure

Ce transport d'ions est le plus rapide de tous les transporteurs connus (cf. mécanisme).

Vue d'ensemble de l'AE1

Band 3 (Band 3 anion transport protein ou protéine érythrocytaire-1 échangeuse d'anions en français) est aussi appelé AE1 (anion exchanger 1) ou SLC4A1 (solute carrier family 4 member).

• Elle appartient aux transporteurs de bicarbonate (chapitre spécial), et plus particulièrement aux SLC4 (Solute Carrier Family SLC41, what do we really know about it? 2014).
• Elle fait partie de la superfamille des APC (Amino acid-Polyamine-organoCation) qui comprend de nombreux membres.

Band 3 est hautement conservée.

1. AE1/Band 3 (omim.org), omniprésente chez les vertébrés, est exprimée chez les mammifères dans :

• la membrane cellulaire des érythrocytes (globules rouges) par sa isoforme eAE1, dans laquelle elle représente la principale glycoprotéine (25 à 30%),
• la surface basolatérale des cellules intercalaires A du canal collecteur du rein, cellules qui acidifient l'urine en sécrétant des protons (H⁺) par des ATPases, par sa isoforme kAE1 (k pour kidney),
• les podocytes du glomérule rénal dans une étude récente (où elle contribue au fonctionnement de la barrière de filtration glomérulaire pour prévenir la protéinurie (Anion exchanger 1 in red blood cells and kidney: Band 3’s in a pod 2010).

2. Des mutations spécifiques de l'AE1 humaine provoquent (Molecular physiology and genetics of Na+-independent SLC4 anion exchangers 2009) :

• des anémies hémolytiques héréditaires,
• des acidosse tubulaires rénales distales.

De nombreuses propriétés des érythrocytes sont régulées par la pression partielle d'oxygène à laquelle ils sont exposés. Parmi elles,

• la structure membranaire,
• le volume cellulaire et l'hydratation,
• le métabolisme du glucose (Oxygen-linked modulation of erythrocyte metabolism: state of the art 2010).

3. Band 3 est présente sous forme dimérique et tétramérique dans les membranes (cf. plus bas).

Structure générale de l'AE1

La structure de la Band 3 humaine érythrocytaire (911 résidus) est composée de deux domaines distincts (Crystal structure of the anion exchanger domain of human erythrocyte band 3 2015 et Band 3, the human red cell chloride/bicarbonate anion exchanger (AE1, SLC4A1), in a structural context 2016) :

• 

  un domaine N-terminal cytosolique (1-360), point d'ancrage de nombreuses protéines ;
• un domaine membranaire intégral (361-911) dont l'extrémité C-terminale catalyse l'échange ionique.

kBand 3 est plus courte de 65 résidus N-terminaux (The major kidney band 3 gene transcript predicts an amino-terminal truncated band 3 polypeptide 1989).

La structure de band 3 est similaire à plusieurs membres de transporteurs dont la structure a été révelée récemment :

• de la famille SLC23, comme les transporteurs d'uracile et de xanthine UraA (Structure and mechanism of the uracil transporter UraA 2011 et Dimeric structure of the uracil:proton symporter UraA provides mechanistic insights into the SLC4/23/26 transporters 2017) ou le symporteur purine/H⁺ UapA (Structure of eukaryotic purine/H+ symporter UapA suggests a role for homodimerization in transport activity 2015);
• de la famille SLC26 ou SulP, représentée par un transporteur de fumarate de SLC26Dg (Structure of a prokaryotic fumarate transporter reveals the architecture of the SLC26 family 2015).

Domaine membranaire

Structure globale

Le domaine membranaire (361-911), dont l'extrémité intracytoplasmique est désordonnée, comprend 14 domaines transmembranaires (TM1-TM14).

Ce domaine, impliqué dans l'échange d'ions, est fonctionnel en l'absence du domaine N-terminal intracytoplasmique. La partie hautement conservée commence à Phe379.

1. Les domaines transmembranaires ont une conformation hélicoïdale classique.

• Certains n'atteignent pas les 20 résidus, correspondant à l'épaisseur d'environ 30 Å de la phase hydrophobe d'une bicouche lipidique.
• D'autres sont classées en boucles réentrantes (ou demi-hélices) comme TM3 ou TM10.

2. Les antigènes des groupes sanguins sont situés sur les boucles extracellulaires reliant les segments TM.

3. Le site unique de N-glycosylation sur Asn642 se trouve entre TM7 et TM8.

Organisation des domaines
transmembranaires

Les 14 segments TM de la bande 3 sont constitués de deux régions répétées (A et B) de 7 TM inversées (TM1-7 et TM8-14) à repliement similaire :

• le domaine central (core domain ou domaine de transport), formé par TM1-4 et de sa répétition inversée TM 8-11 ;
• le domaine de la porte (gate domain), constitué de TM5-7 étroitement associé à la répétition inversée TM12-14.

Par contre, l'orientation de TM1-TM4 par rapport à TM5-TM7 diffère de celle de TM8-TM11 par rapport à TM12-TM14, i.e. les répétitions A et B n'ont pas la même structure même si elles ont des topologies identiques (mais inversées).

Cette différence structurelle est en effet cruciale, car c'est la raison pour laquelle le site putatif de liaison aux anions est exposé à l'espace extracellulaire.

Le mouvement de bascule relatif des domaines de la porte et du noyau dans ces protéines modifierait l'accessibilité du seul site de liaison au substrat d'un côté de la membrane à l'autre pour accomplir la translocation anionique (mécanisme alternatif).

Site de liaison des anions

Le site de liaison aux anions est situé à l'extrémité N-terminale des hélices TM3 et TM10.

• Ces extrémités présentent une charge positive partielle qui pourrait donc fournir un site de liaison aux anions (Structural Model of the Anion Exchanger 1 (SLC4A1) and Identification of Transmembrane Segments Forming the Transport Site 2013)

• 

  Dans l'UraA d'Escherichia coli, symporteur H⁺/uracile, membre de la famille des NAT (nucléobase/ascorbate transporteur), l'uracile se retrouve dans une cavité centrale composée des parties étendues des segments TM3 et TM10 (Structure and mechanism of the uracil transporter UraA 2011 et Dimeric structure of the uracil:proton symporter UraA provides mechanistic insights into the SLC4/23/26 transporters 2017 et Structure of eukaryotic purine/H+ symporter UapA suggests a role for homodimerization in transport activity 2015).

Ce site laisse un espace de 12 Å qui permet le passage des ions Cl^- (1.8 Å) et HCO₃^- (2.3 Å).

Des anions plus gros comme le pyridoxal-5-phosphate hydraté (8.8 Å), forme active de la vitamine B6, pourrait aussi le traverser.

En l'absence d'anion, la chaîne latérale Glu681 de TM8 (Glu241 dans UraA) peut occuper ce site et agit comme bloqueur de la porte.

• Glu681 est le site de liaison de H⁺ dans la Bande 3 impliquée dans le co-transport H⁺/sulfate (Anion-proton cotransport through the human red blood cell band 3 protein. Role of glutamate 681 1992).
• De nombreuses expériences ont montré son rôle. En particulier, la mutation E681Q dans la Bande 3 humaine diminue fortement l'échange Cl^-/HCO₃^-, mais accélère le transport du sulfate, le rendant largement indépendant du pH (A Substrate Access Tunnel in the Cytosolic Domain Is Not an Essential Feature of the Solute Carrier 4 (SLC4) Family of Bicarbonate Transporters 2013).
• La charge négative de Glu681 pourrait empêcher la liaison des anions divalents comme le sulfate (SO₄^--) en raison de la répulsion ionique, tandis que l'élimination de la charge sur Glu681 permettrait la liaison au sulfate.

La chaîne latérale de Arg730 de TM10 fait face au site actif, situé à 7,5 Å de Glu681.

• Arg730 fournit donc l'environnement chargé positivement pour accueillir les anions.
• Arg730 peut interagir directement avec la charge négative sur le bicarbonate (et le chlorure), le groupe OH du bicarbonate formant une liaison hydrogène directement ou par l'intermédiaire de l'eau avec la chaîne latérale de Glu681.

His834, situé près de l'extrémité de l'hélice TM10 est un résidu essentiel dans le changement de conformation qui se produit pendant le transport d'anions (Histidine-834 of Human Erythrocyte Band 3 Has an Essential Role in the Conformational Changes That Occur during the Band 3-Mediated Anion Exchange 2003).

Des résidus hydroxyles dans les régions étendues de TM3 (Ser465) et TM10 (Ser725, Thr727, Thr528) pourraient participer à la liaison des anions en remplaçant les molécules d'eau liées : les chlorures pourraient alors être déshydratés comme dans les canaux ClC (ClC chloride channels viewed through a transporter lens 2006).

Domaine de la porte (gate domain)

Le domaine de la porte contient des lysines dans TM5 (Lys539 ) et TM13 (Lys851).

Or, Le transport d'anions dans les globules rouges peut être inhibé par des anions organiques comme le 4,4'-diisothiocyano-2,2'-stilbène disulfonate (DIDS) ou son dérivé réduit (DIDSH₂).

• DIDSH₂ se lie à ces lysines pour obstruer l'espace entre les lysines.
• En outre, il interagit avec Arg730 qui fait face à l'espace entre les extrémités hélicoïdales de TM3 et TM10.
• Il pourrait aussi entrer en interaction avec Glu681.

DIDSH₂ occupe une position stratégique, entre le domaine central et les domaines de la porte, dans un passage qui mène au site de liaison des anions : il entraverait le mouvement relatif des deux domaines, bloquant la translocation en verrouillant Band 3 dans un état orienté vers l'extérieur (OF, outward-facing).

Domaine de dimérisation membranaire

Band 3 est présente sous forme dimérique et tétramérique dans les membranes.

1. Les domaines isolés, que ce soient N-terminaux ou membranaires sont dimériques et sont transportés indépendamment vers la membrane (Impaired trafficking of human kidney anion exchanger (kAE1) caused by hetero-oligomer formation with a truncated mutant associated with distal renal tubular acidosis 2002).

Les sous-unités des dimères fonctionnent séparément : les mutations peuvent donc toucher une sous-unité ou les deux, comme dans les AR dRTA, autosomal recessive distal renal tubular acidosis (Anion exchanger 1 mutations associated with distal renal tubular acidosis in the Thai population 2003).

L'interface dimérique (1092 Å2) est représentée par :

• un faisceau à quatre hélices provenant de TM5 et TM6 dont les interactions prédominantes se produisent aux extrémités extracellulaires de ces deux hélices à Leu572 située à l'extrémité extracellulaire N-terminale de TM6 ;
• une contribution de TM7 et du côté membranaire cytosolique de H4 et de la boucle le reliant à TM13.

Cette interface a une forme d'entonnoir, avec peu d'interactions entre les deux sous-unités sur le côté cytosolique du dimère.

• L'interface dimère, constitué uniquement par le domaine de la porte, peut donc changer pendant le cycle de transport lorsque les sous-unités constituantes passent d'une conformation vers l'extérieur à une conformation tournée vers l'intérieur.
• L'interface dimérique peut rester fixe et le domaine central peut se déplacer pendant le cycle de translocation.

Certains pensent que la dimérisation pourrait aussi avoir lieu par une interface entre les domaines centraux (Solute carriers keep on rockin' 2015).

2. Les tétramères sont formés par dimérisation des dimères AE1, par l'intermédiaire du domaine N-terminal cytoplasmique, dimérisation stabilisée par interaction avec l'ankyrine (Effect of Band 3 Subunit Equilibrium on the Kinetics and Affinity of Ankyrin Binding to Erythrocyte Membrane Vesicles 1998).

Domaine N-terminal