Moteurs moléculaires : dynéines
Régulation

• la dynactine,
• des adaptateurs protéiques,
• d'autres cofacteurs protéiques comme de LIS1 (LISsencephaly 1) et NUDEL.

Les dynéines peuvent être régulées par des cofacteurs différents des adaptateurs.

LIS1 (LISsencephaly 1)

LIS1 - probablement en complexe avec les protéines Nudel - a été impliqué dans de multiples processus cellulaires (Mechanism and Regulation of Cytoplasmic Dynein 2015)  :

• la localisation de la dynéine dans les extrémités (+) des microtubules, en particulier dans le cortex cellulaire (Regulated Offloading of Cytoplasmic Dynein from Microtubule Plus Ends to the Cortex 2011),

• 

  l'initiation du transport du cargo,
• le soutien de la capacité de la dynéine à transporter des cargos de forte charge…

Remarque : Lis1 est le principal gène responsable de la lissencéphalie (" cerveau lisse "), maladie cérébrale grave associée à de nombreux symptômes dont des troubles cognitifs et une faible espérance de vie. Lis1 joue un rôle important dans le mouvement des noyaux neuronaux le long des microtubules et une bonne migration neuronale est essentielle pendant le développement du cerveau fœtal.

Structure et liaisons

LIS1, qui se présente sous forme dimérique, possède deux domaines fonctionnels distincts .

1. Une courte région N-terminale, essentielle pour la dimérisation, est composée par (The Structure of the N-Terminal Domain of the Product of the Lissencephaly Gene Lis1 and Its Functional Implications 2004) :

• un domaine coiled-coil (superhélice),
• un domaine d'homologie de LIS1, ou LisH, présent dans plus de 100 protéines eucaryotes (A new sequence motif linking lissencephaly, Treacher Collins and oral–facial–digital type 1 syndromes, microtubule dynamics and cell migration 2001).

2. Le grand domaine C-terminal est composé de sept répétitions WD-40, qui sont typiques des structures d'hélices bêta à sept pales (seven-bladed beta-propeller).

Les domaines WD-40 fonctionnent souvent comme des plates-formes d'interaction multi-protéines, ce qui suggère que cette surface pourrait servir d'échafaudage pour le recrutement de divers régulateurs et cibles interagissant avec LIS1 (WD-repeat domain proteins: a novel target class? 2017).

Ce domaine interagit directement avec  :

• le domaine moteur de la dynéine(modèle " clutch " ou embrayage),
• Nde1/Ndel1 (Nude/Nudel),
• PAF-AH (Platelet-Activating Factor AcetylHydrolase) dans laquelle LIS1 est une sous-unité indépendamment de la dynéine (Coupling PAF Signaling to Dynein Regulation: Structure of LIS1 in Complex with PAF-Acetylhydrolase 2004).

Au moins deux régions d'une face de l'hélice bêta entrent en contact avec la dynéine (Differential effects of the dynein-regulatory factor Lissencephaly-1 on processive dynein-dynactin motility 2017).

• Les résidus, en bleu sur la figure ci-dessus, sont importants pour la liaison à la dynéine.
• Les mutations, en rouge sur la figure ci-dessus, causant la lissencéphalie sont exposées à la surface
• La 5^ème pale de l'hélice bêta englobe les résidus d'interaction avec la dynéine hautement conservés est représentée en vert.

En outre, deux sites clé d'interaction au sein de l'anneau de dynéine AAA+ ont étét identifiés :

• le site 1, près de l'interface AAA3/AAA4, est nécessaire pour la liaison de dynéine-Pac1, avec
• le site 2 serait important pour la régulation de la dynéine (modèle " clutch " ou embrayage)

Mécanismes possibles

Le mécanisme moléculaire de la régulation médiée par LIS1 paraît complexe car elle peut augmenter ou diminuer la vitesse du déplacement de la dynéine selon les expériences.

Les expériences ont été réalisées in vitro sur Pac1 de Saccharomyces cerevisiae, 27% d'identité et 44% de similarité avec LIS1, et NudF d'Aspergillus nidulans, 43% d'identité et 62% similarité avec LIS1, en utilisant le protocole PEG-glass, lamelles de verre recouvertes de polyéthylène glycol ou PEG (Cloud-point PEG Glass Surfaces for Imaging of Immobilized Single Molecules by Total-Internal-reflection Microscopy 2016).

Ces expériences ont débouché sur deux modèles dont le dernier paraît plus pertinent.

Modèle " clutch " (embrayage)

1. LIS1 est antagoniste de la motilité rapide et processive de la dynéine : les expériences montrent que Pac1 réduit la vitesse de déplacement de la dynéine en la liant fortement aux microtubules (Lis1 Acts as a “Clutch” between the ATPase and Microtubule-Binding Domains of the Dynein Motor 2012).

• Les moteurs de dynéine individuels liés à LIS1 restent attachés aux microtubules pendant de longues périodes, même pendant les cycles d'hydrolyse de l'ATP qui induisent canoniquement le détachement.
• Lis1 fonctionne comme un " clutch " (embrayage) qui empêche le domaine AAA1 de la dynéine de transmettre un signal de détachement du microtubule.

Pac1 pourrait se lier au sein de l'anneau AAA+ de la dynéine, près de AAA3/AAA4 Lis1 regulates dynein by sterically blocking its mechanochemical cycle 2014).

• 

  Cette position pourrait partiellement bloquer l'arrimage du domaine de liaison, à l'origine du powerstroke, sur AAA5 ( modèle du mécanisme de la dynéine).
• Le cycle mécanochimique ne pourrait pas se dérouler serait et verrouillerait d'une manière ou d'une autre l'anneau AAA+ dans un état conformationnel qui conduit à une affinité élevée pour les microtubules (Review: Structure and mechanism of the dynein motor ATPase 2016).

Ce qui paraît curieux car l'affinité élevée pour les microtubules est la configuration droite, i.e. lorsque le domaine de liaison est lié à AAA5 .

Pac1 pourrait aussi verrouiller l'anneau AAA+ dans un état de forte affinité tubulaire en serrant AAA3/4 et AAA5 ensemble (Lis1 has two opposing modes of regulating cytoplasmic dynein 2017).

2. Contrairement à ce mode d'action, Pac1 s'est avéré avoir l'effet opposé sur la motilité de la dynéine lorsque le module AAA3, près du site 1 de liaison Pac1, a été muté (Lis1 has two opposing modes of regulating cytoplasmic dynein 2017 et Lissencephaly-1 is a context-dependent regulator of the human dynein complex 2017).

• AAA3 pourrait se lier à l'ATP, mais pas l'hydrolyser (4 et 6)
• Un deuxième domaine WD-40 de Pac1 pourrait se lier près de la tige du domaine moteur de la dynéine (site 2 et état 5).

Modèle " catalytic check valve " (clapet anti-retour catalytique)

LIS1 est un activateur de la motilité processive de la dynéine : ce modèle est, semble-t-il, le plus abouti.

Les expériences précédentes ont soulevé la question de savoir comment la liaison de LIS1 à l'anneau AAA+ d'une manière qui stabilise potentiellement un état d'affinité élevée pour les microtubules pourrait augmenter la vitesse de DDA ?

LIS1 favorise probablement l'activité de la dynéine par au moins deux mécanismes distincts.

Formation de complexes D₂DA

La dynactine peut servir d'échafaudage non seulement à un complexe DDA, mais à deux dimères de dynéine, i.e. complexe D₂DA (Cryo-EM shows how dynactin recruits two dyneins for faster movement 2018 et Cryo-electron tomography reveals that dynactin recruits a team of dyneins for processive motility 2018).

1. L'ajout de LIS1 augmente la proportion de complexes DDA assemblés et augmente la vitesse et la force de ces complexes en augmentant la fraction de complexes D₂DA.

• Les deux dimères de dynéine doivent posséder des domaines moteurs intacts, car l'ajout de complexes de queue de dynéine tronquée a abrogé l'augmentation de vitesse médiée par LIS1.
• LIS1 favorise l'assemblage complexe D₂DA par un mécanisme qui implique la stabilisation de la conformation " ouverte " de la dynéine, même lorsque on utilise des dynéines mutantes.

2. LIS1 favoriserait aussi l'assemblage du complexe D₂DA sans stabilisation de la conformation " ouverte " sans que le mécanisme soit encore connu.

• Soit, LIS1 favoriserait directement la liaison de la dynéine à la dynactine (c'est-à-dire par un mécanisme allostérique).
• Soit LIS1 n'affecterait que la liaison du deuxième dimère de dynéine, i.e. le dimère de dynéine A lié à LIS1 recrutant le dimère de dynéine B sur la dynactine, en agissant comme un pont entre ces deux dimères de dynéine.

Ce dernier mécanisme est distinct du rôle de LIS1 dans la stabilisation de l'état ouvert, puisqu'un fragment LIS1 monomérique - qui ne possède qu'un seul site de liaison à la dynéine - est suffisant pour favoriser l'assemblage du complexe DDA/D₂DA.

Remarque : Une étude récente a précisée le recrutement des adatateurs et les interactions entre les dynéines : Structure of dynein-dynactin on microtubules shows tandem recruitment of cargo adaptors (2022).

Stabilisation de la conformation " ouverte " de la dynéine

Les adaptateurs, comme BicD, activent la motilité de la dynéine ( activation de la dynéine) :

• en orientant ses têtes motrices, i.e. conformation " ouverte " de sorte que les chaînes lourdes soient parallèles et capables de subir un cycle mécanochimique,
• en améliorant le taux d'arrimage aux microtubules du complexe via la sous-unité p150 de la dynactine.

1. LIS1 favorise l'assemblage des complexes DDA/D₂DA par un mécanisme qui implique la stabilisation de la conformation " ouverte " de la dynéine, même lorsque on utilise des dynéines mutantes (Pac1/LIS1 stabilizes an uninhibited conformation of dynein to coordinate its localization and activity 2020).

• La conformation phi est incompatible avec la liaison Pac1/LIS1 au domaine moteur par conflit stérique (Cryo-EM Reveals How Human Cytoplasmic Dynein Is Auto-inhibited and Activated 2017 et Lis1 has two opposing modes of regulating cytoplasmic dynein 2017).
• Pac1 et LIS1 se lient à la dynéine avec une affinité plus élevée lorsque cette dernière était dans la conformation " ouverte "

2. Dans ce nouveau modèle, LIS1 agit comme un " catalytic check valve " (clapet anti-retour catalytique), agissant à la fois :

• comme un catalyseur pour l'assemblage des complexes DDA et D₂DA,
• comme un clapet anti-retour qui empêche le retour à la conformation phi auto-inhibée.

Une fois qu'elle est " ouverte ", l'assemblage de la dynéine dans le complexe DDA (ou D₂DA) se produit plus facilement.

3. LIS1 n'a pas besoin de rester lié aux complexes D₂DA pour maintenir des vitesses élevées. LIS1 se dissocie des complexes dynéine-dynactine avant, pendant ou peu après le début du transport (Lis1 is an initiation factor for dynein-driven organelle transport 2012).

• La dissociation de LIS1 du complexe D₂DA assemblé fournit une molécule LIS1 de sorte qu'elle pourrait éventuellement agir à nouveau dans un autre cycle d'assemblage D₂DA.
• La liaison de l'adaptateur pourrait jouer un rôle dans le déclenchement de la dissociation de LIS1 de la dynéine.
• La prévention de leur dissociation conduit à des défauts de migration nucléaire médiée par la dynéine dans ce système modèle (The dynein cortical anchor Num1 activates dynein motility by relieving Pac1/LIS1-mediated inhibition 2015)

4. Ce modèle répond à la question : pourquoi l'assemblage du complexe dynéine-dynactine a lieu aux extrémités des microtubules (+), un site où se localisent les molécules de dynéine liées à Pac1 (Quantitative Analysis of Pac1/LIS1-mediated Dynein Targeting: Implications for Regulation of Dynein Activity in Budding Yeast 2011 et The role of the lissencephaly protein Pac1 during nuclear migration in budding yeas 2003) ?

• Les molécules de dynéine liées à Pac1, qui s'associent aux extrémités positives via Bik1/CLIP-170 sont dans une configuration " ouverte ", et donc prêtes à l'interaction avec la dynactine.
• Le déchargement de ces complexes préassemblés vers les récepteurs corticaux Num1, qui nécessite des complexes dynéine-dynactine intacts est donc parfaitement adapté pour l'association finale des complexes Pac1-dynéine (A novel patch assembly domain in Num1 mediates dynein anchoring at the cortex during spindle positioning 2012).

Dans les modèles humains, l'association de la dynéine plus les extrémités (+) des microtubules est dépendant de la dynactine, soit directement, soit indirectement par l'association de la dynactine avec EB1/CLIP-170 (Microtubule plus-end tracking by CLIP-170 requires EB1 2009 et Combinatorial regulation of the balance between dynein microtubule end accumulation and initiation of directed motility 2017).

• Ainsi, toute condition dans laquelle l'interaction dynéine-dynactine est renforcée, par exemple, par l'ajout de LIS1, favorisera naturellement la l'association de la dynéine à l'extrémité (+).
• La déplétion de LIS1, i.e. mutations ou perte de fonction, doit réduire l'assemblage du complexe dynéine-dynactine et, par conséquent, compromettre la localisation et le transport des cargos.

Remarque : Comment concilier l'activité inhibitrice apparente de Pac1/LIS1 décrite dans le modèle " clutch " avec ces nouvelles données ?

Dans les conditions expérimentales in vitro utilisées pour les études précédentes, Pac1 se lie de manière robuste aux microtubules. Or, in vivo, cela ne semble pas être le cas, mais rien n'est encore tranché.

Nde1/Ndel1 ou Nude/Nudel

Les protéines Nde1/Ndel1 (Nuclear Distribution Element 1/Nde-like1), appelées aussi Nude/Nudel, sont des protéines contenant :

• 

  un long domaine coiled-coil (superhélice) N-terminal,
• un domaine C-terminal non structuré.

1. Le domaine N-terminal interagit avec (The N-terminal coiled-coil of Ndel1 is a regulated scaffold that recruits LIS1 to dynein 2011) :

• 

  les chaînes intermédiaires (IC) de la dynéine, comme p150glued de la dynactine (Intrinsic Disorder in Dynein Intermediate Chain Modulates Its Interactions with NudE and Dynactin 2012),
• Lis1.

2. Le domaine C-terminal se lierait avec :

• les chaînes légères LC8 de la dynéine (Mutually Exclusive Cytoplasmic Dynein Regulation by NudE-Lis1 and Dynactin 2011),
• les chaînes lourdes, dans un site proche de AAA1.

Cette interaction semble innhiber l'interaction avec les microtubules.

3. Les interactions nécessaires à l'assemblage du complexe tripartite dynéine-LIS1-Nde1/Ndel1 sont mal comprises, et des informations supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre son organisation, ainsi que la nature et la contribution de chacune de ces interactions.

• NudE d'Aspergillus nidulans pourrait promouvoir l'activation de la dynéine médiée par l'adaptateur, au moins en partie en stabilisant et/ou en induisant la conformation ouverte de la dynéine (LIS1 regulates cargo-adapter–mediated activation of dynein by overcoming its autoinhibition in vivo 2019).
• La liaison compétitive de Nde1/Ndel1 et p150Glued pour DIC suggère un rôle potentiellement supplémentaire pour Nde1/Ndel1 dans la régulation de l'interaction dynéine-dynactine au-delà de la coordination de la liaison dynéine-LIS1

4. Les mutations de la NDE1 humaine sont à l'origine de la microcéphalie, et non de la lissencéphalie, i.e. LIS1 et NDE1 ont probablement des rôles distincts au cours du développement du cerveau (Severe NDE1-mediated microcephaly results from neural progenitor cell cycle arrests at multiple specific stages 2016).

• En outre, Nde1/Ndel1 peut interagir avec un grand nombre de partenaires de liaison, ce qui suggère que leurs rôles ne se limitent pas à la régulation de la dynéine (The scaffold protein Nde1 safeguards the brain genome during S phase of early neural progenitor differentiation 2014).
• Nde1 est un effecteur de Rab9 sur les endosomes tardifs (Nde1 is a Rab9 effector for loading late endosomes to cytoplasmic dynein motor complex 2022).
• Néanmoins, l'affinité de LIS1 pour Nde1/Ndel1 est élevée, i.e. suggérant que le complexe Nde1/Ndel1-LIS1 est très pertinent dans la physiologie cellulaire (Mechanistic insights into the interactions of dynein regulator Ndel1 with neuronal ankyrins and implications in polarity maintenance 2019).

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