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Enzymes
Groupe des hydrolases (EC 3)
Phosphatases : lipide phosphatases
Phosphatidylinositol 3-phosphatases (PI 3-phosphatases)
PTEN : structure

Sommaire
définition

PTEN (phosphatase and tensin homolog located on chromosome TEN) est une phosphatidylinositol phosphatases qui retire le groupe phosphate de l'hydroxyle 3 du noyau de l'inositol des phosphoinositides, i.e. PI 3-phosphatases encodée par le gène PTEN, un gène suppresseur de tumeur localisé sur le chromosome 10.

1. PTEN fait partie du premier groupe des PI 3-phosphatases, avec TPIP, le deuxième groupe est composé des myotubularines (MTM).

2. Le rôle principal de PTEN est de stopper le signal de prolifération cellulaire en inactivant le plus souvent la voie de signalisation PI3K/AKT par déphosphorylation du PI(3)P ou PI(3,4,5)P3 ou PIP3.

PTEN est le gène le plus fréquemment muté dans divers cancers et prédispositions au cancer (loupe mutations de PTEN).

Structure de PTEN

1. PTEN, protéine de 403 résidus, est composé

Sa structure générale est similaire à celle de la tensine et de l'auxilline.

Structure de PTEN
Structure de PTEN
(Figure : vetopsy.fr d'après Masson et coll)

2. Toutefois, on peut trouver des variants comme (Systematic analysis of the PTEN 5′ leader identifies a major AUU initiated proteoform 2016), dont les principaux sont :

3. PTEN peut se retrouver dans deux conformations :

  • ouverte, i.e. attachée à la membrane, ou transporté vers le noyau,
  • fermée dans le cytosol.

PTEN pourrait peut-être se dimériser, mais très faiblement (The PTEN Tumor Suppressor Forms Homodimers in Solution 2015).

Extrémité N-terminale

1. L'extrémité N-terminale comprend un motif PBM (Phosphoinositide Binding Motif), i.e. domaine de liaison à PI(4,5)P2 ou PIP2, (1-MTAIIKEIVSRNKRR-15) qui détermine la up-régulation de l'activité de PTEN par un mécanisme allostérique.

Formation d'une hélice α amphipathique liant les phosphoinositides
Formation d'une hélice α amphipathique liant les phosphoinositides
(Figure : vetopsy.fr d'après Wei et coll)

2. L'attachement à la membrane s'effectue également via le domaine PDZ C-terminal qui se lie à ses homologues des protéines membranaires.

3. Cet attachement membranaire nécessite que PTEN soit en conformation ouverte, i.e. (Opening the conformation is a master switch for the dual localization and phosphatase activity of PTEN 2015) :

  • que l'extrémité C-terminale ne soit pas phosphorylée,
  • que K13 ne soit pas ubiquitinée, l'ubiquitination la transportant vers le noyau (loupe régulations de PTEN).

Domaine phosphatase

Le domaine lipidique phosphatase, résidus 15-185, lié à la protéine tyrosine phosphatase (PTP), est constitué d'un feuillet β à cinq brins β pris en sandwich entre 6 hélices α, i.e. 2 d'un côté, 4 de l'autre.

Structure du domaine

Domaine DUSP de PTEN
Domaine DUSP de PTEN
(Figure : vetopsy.fr d'après Masson et coll)

Le noyau du domaine phosphatase, qui contient quatre brins β parallèles et une hélice α avec la boucle P catalytique reliant l'un des brins β et l'hélice α, est conservé.

1. Le site actif de PTEN comprend en plus - trois boucles, qui forment une poche plus profonde et plus large que celle des protéines tyrosine phosphatases courantes, i.e. ce qui permet au groupe de tête volumineux de PI(3,4,5)P3 ou PIP3 d'accéder au centre actif de l'enzyme, i.e. C124.

  • la boucle WPD (résidus 88-98), dans lequel le résidu Asp fonctionne à la fois comme un acide et une base lors de la catalyse,
  • la boucle TI (résidus 160-171) qui contient une paire de thréonine et d'isoleucine, qui élargit la poche,
  • la boucle P.

2. Cette poche catalytique est fortement chargée positivement, plus que les autres PI-phosphatases, comme les myotubularines (MTM), ce qui est en accord avec sa préférence pour PI(3,4,5)P3, le PI chargé le plus négativement.

3. En outre, dans le domaine phosphatase, une boucle d'arginine (résidus 35-49) formant une surface chargée positivement, permet la liaison du domaine phosphatase aux membranes (Computational Prediction of Amino Acids Governing Protein-Membrane Interaction for the PIP3 Cell Signaling System 2019).

Mécanisme catalytique

Site catalytique de PTEN
Site catalytique de PTEN
(Figure : vetopsy.fr d'après Manford et coll)

La boucle P catalytique contient le motif CX5R, dont la séquence centrale est ici, CKAGKGR forme la poche ou la fente catalytique de PTEN, qui est adapté à la préférence de PTEN pour PI(3,4,5)P3.

1. La catalyse est semblable à celle des tyrosine-phosphatases (Form and Function in Protein Dephosphorylation 1996).

En effet, les boucles P des tyrosine phosphatases sont strictement superposables, i.e. écart type mineur de 1° (Protein tyrosine phosphatases: structure–function relationships 2008).

  • Les sept groupes amide consécutifs du motif CX5R sont tous tournés vers l'intérieur, conjointement avec le groupement guanidinium de l'arginine (R).
  • Cette conformation permet de placer correctement le groupement phosphate du substrat pour l'attaque nucléophile par l'atome Sγ de la cystéine catalytique.

Par contre, le domaine catalytique de SAC1, bien qu'il contienne le motif CX5R, est différent (loupe structure de SAC1).

2. Le mécanisme est le suivant.

a. L'anion thiolate de la cystéine du site actif (C124 de PTEN) effectue une attaque nucléophile sur le phosphate du substrat, sur la figure, un phosphoryl-tyrosyle.

  • Cela provoque la formation d'un intermédiaire phospho-enzyme, i.e. un cystéinyle phosphoenzyme covalent intermédiaire.
  • L'acide aspartique, (D92 de la boucle WPD de PTEN), agissant comme un acide général, donne un proton au groupe phosphate, éjectant la chaîne latérale du substrat. Les liaisons hydrogène entre les atomes d'oxygène du phosphate et les atomes d'azote du groupe favorisent la liaison du phosphate et stabilisent l'état de transition.

b. Agissant comme base générale, l'aspartate active une molécule d'eau pour une attaque nucléophile sur l'atome de phosphore. La liaison phosphore-soufre est hydrolysée, régénérant ainsi l'enzyme native.

Mécanisme catalytique des tyrosine-phosphatases
Mécanisme catalytique des tyrosine-phosphatases
(Figure : vetopsy.fr d'après Denu et coll)

2. Cette boucle P est très sensible aux mutations (A Saturation Mutagenesis Approach to Understanding PTEN Lipid Phosphatase Activity and Genotype-Phenotype Relationships 2018).

  • La mutation de G129, trouvée dans le syndrome de Cowden, inhibe l'activité phosphatase sur les lipides, mais pas sur les protéines,
  • Les mutations de Y138 ont le rôle inverse, i.e. inhibent l'activité phosphatase sur les protéines mais pas sur les lipides, ce qui a permis de déterminer leurs contributions respectives sur les fonctions de PTEN.

Domaine C2

Le domaine C2 de type II (résidus 192-353), indépendant du calcium, est un domaine structural protéique constitué d'un noyau β-sandwich composé de deux feuillets β antiparallèles et de deux courtes hélices α près de l'interface.

Domaine C2 de PTEN
Domaine C2 de PTEN
(Figure : vetopsy.fr d'après Masson et coll)

La boucle Cα2 est plus longue dans le domaine de PTEN que dans des structures homologues, et cette boucle joue un rôle :

Le domaine C2 est impliqué dans le ciblage des protéines et la fixation non-spécifique des lipides dans les membranes cellulaires, en particulier par des boucles de liaison au Ca++ (CBR1/2) et une boucle de liaison à la membrane (CBR3).

  • Dans PTEN, ces boucles diffèrent des boucles Ca++-dépendantes en ayant perdu les résidus responsables ce cette liaison.
  • Par contre, la boucle CRB3 a une charge positive de +5 et l'interaction à la membrane se fait à travers elle, bien que d'autres boucles puissent être invoquées.

Interface C2/phosphatase

L'interface entre le domaine C2 et le domaine phosphatase est essentielle à la régulation de PTEN et peut être considérée comme un super-domaine (Superdomains in the protein structure hierarchy: The case of PTP-C2 2015)

1. Les domaines phosphatase et C2 sont étroitement serrés l'un contre l'autre, partageant une interface étendue (1400 Å2) enrichie de résidus hydrophobes et aromatiques, et un réseau de liaisons hydrogène interdomaine.

Mutations autisme/cancer dans PTEN
Mutations autisme/cancer dans PTEN
(Figure : vetopsy.fr d'après Smith et coll)

Cette interface est modifiée lors de l'attache à la membrane, en se séparant ou en pivotant de 10° (Interactions of Phosphatase and Tensin Homologue (PTEN) Proteins with Phosphatidylinositol Phosphates: Insights from Molecular Dynamics Simulations of PTEN and Voltage Sensitive Phosphatase 2014)

2. De nombreuses mutations dans cette interface provoque la rupture de l'interaction des deux domaines provoquant l'inactivation de PTEN (Dynamics and Structural Stability Effects of Germline PTEN Mutations Associated with Cancer versus Autism Phenotypes 2019) .

Ces mutations sont à l'origine :

  • de cancers, i.e. S170 et R173 sont les résidus de l'interface qui sont le plus fréquemment mutés dans les tumeurs,
  • de l'autisme.

Extrémité C-terminale

L'extrémité C-terminale de PTEN (résidus 354-403) est cruciale pour le bon fonctionnement et la régulation de PTEN par des modifications post-traditionnelles car elle forme un inhibiteur automatique de l'interaction entre les deux domaines pliés de PTEN (The intrinsically disordered tails of PTEN and PTEN-L have distinct roles in regulating substrate specificity and membrane activity 2016).

1. L'extrémité C-terminale contient de nombreux sites de phosphorylation essentiels pour régler l'activité et les fonctions de PTEN (loupe régulations de PTEN).

Conformations de PTEN
Conformations de PTEN
(Figure : vetopsy.fr d'après Nguyen et coll)

Par exemple, les deux séquences PEST, régions riches en proline (P), en acide glutamique (E), en sérine (S) et en thréonine (P), sont des sites de phosphorylation, en particulier les sérines 380, 382, 383 et 386.

Leur phosphorylation acidifie l'extrémité C-terminale et favorise son interaction avec le domaine C2 pour que PTEN prenne la conformation dite fermée (Opening the conformation is a master switch for the dual localization and phosphatase activity of PTEN 2015) :

  • Or, les phospholipides membranaires interagissent également avec C2.
  • La conformation fermée inhibe l'interaction de PTEN avec la membrane.

2. Un domaine PDZ participe aux interactions protéine-protéine, i.e. Thr-Val-Lys étant les trois derniers résidus de PTEN.

  • Ce motif est une cible pour les protéines à domaine PDZ qui sont généralement des protéines d'échafaudage.
  • Toutefois, le domaine PDZ n'a aucun effet sur la liaison membranaire ou surr l'activité de PTEN.

Localisations, rôles et régulations de PTEN