Fusion vésiculaire : protéines SNARE
Régulation des protéines SNARE
Complexines : structure

Avec les synaptotagmines, elles ne sont pas nécessaires à la fusion en soi, mais ils permettent l'accumulation, au niveau de la membrane plasmique, d'une réserve (pool) de vésicules prêtes à fusionner en attente du signal, i.e. entrée de calcium pour une libération synchrone.

La complexine est une protéine cytosolique α-hélicoïdale qui se lie et régule au complexe SNARE pour réguler l'exocytose des vésicules synaptiques (VS).

• Elle facilite l'exocytose synchrone évoquée(Molecular mechanisms governing Ca2+ regulation of evoked and spontaneous release 2015).
• Elle inhibe également la fusion spontanée des vésicules synaptiques (Complexins: small but capable 2015).

2. Un des modèles les plus décrits de la régulation des SNARE stipule qu'en présence de Ca⁺⁺, la synaptotagmine, protéine de la vésicule de transport, déplace la complexine, permettant au complexe SNARE d'attacher la vésicule de transport à la membrane présynaptique pour entamer la fusion ( modèles de régulation des SNARE par la complexine/synaptotagmine).

Vue d'ensemble des complexines

Les complexines (Cplx), appelées aussi synaphines, constituent une famille de petites protéines neuronales solubles (Complexins: Cytosolic Proteins That Regulate SNAP Receptor Function 1995).

1. Quatre gènes de complexine différents, cplxI–cplxIV ont été décrits chez la souris, et des orthologues correspondants existent également dans le génome humain.

• Cplx1 et Cplx2 sont étroitement apparentées (86 % d'identité de séquence), mais ne présentent qu'une homologie limitée (24 à 28 % d'identité) avec Cplx3 et Cplx4 qui semblent former une deuxième sous-famille (Structurally and functionally unique complexins at retinal ribbon synapses 2005).
• Les sous-groupes diffèrent principalement par leur domaine C-terminal qui, dans le cas de Cplx3/4 porte une extension avec un motif de boîte CAAX pour l'isoprénylation, i.e. ajout d'un groupe isoprénoïde au résidu cystéine à son extrémité C-terminale.

2. Les quatre isoformes de la complexine sont principalement exprimées dans le système nerveux central, mais Cplx4 est surtout retrouvée dans les synapses à ruban (ribbon synapse) de la rétine.

Remarque : la drosophile (Drosophila melanogaster) ne contient qu'une Cplx ce qui facilite l'analyse des mutations dans cette espèce.

Structure des complexines

Cplx1/2, petites protéines (15–16 kDa) hydrophiles par la présence de nombreux résidus de glutamate (E) et de lysine (K), sont formées par plusieurs domaines (The Synaptic Vesicle Release Machinery 2015).

1. L'extrémité N-terminale (NTD, résidus 1 à 31), peu connue, semble déstructurée ( facilitation de la fusion).

2. L'hélice α-hélicoïdale de Cplx1, engagée dans la liaison avec le complexe SNARE, est formée par :

• l'hélice accessoire (AH), i.e. résidus 32 à 47,
• l'hélice centrale (CH), i.e. résidus 48-70.

3. L'extrémité C-terminale (CTD), i.e. résidus 71-134, peu connue elle aussi et qui semble déstructurée, semble posséder une hélice amphipathique ou amphiphile qui pourrait se lier aux phospholipides et pourrait ainsi contribuer à localiser la complexine dans les vésicules synaptiques (N-terminal domain of complexin independently activates calcium-triggered fusion 2016 et Synaptic Vesicles Position Complexin to Block Spontaneous Fusion 2013).

Remarque : l'extrémité C-terminale de Cplx2, qui révèle un degré élevé de similitude structurelle avec le domaine SNARE C-terminal de SNAP-25, inhibe l'assemblage spontané du complexe SNARE, permettant la constitution d'une réserve (pool) de vésicules prêtes pour une libération évoquée synchrone déclenchée par Ca⁺⁺ (A mechanism for exocytotic arrest by the Complexin C-terminus 2018).

Interactions avec le complexe SNARE

La liaison entre la complexine et le complexe SNARE implique un réseau complexe de liaisons hydrophobes, hydrogène et d'interactions ioniques.

1. L'hélice centrale (CH), i.e. résidus 48-70, faisant partie de l'hélice α-hélicoïdale de Cplx1, peut se fixer en orientation anti-parallèle au sillon formé entre la syntaxine et la synaptobrévine 2/VAMP2 en se liant (Three-Dimensional Structure of the Complexin/SNARE Complex 2002 et X-ray Structure of a Neuronal Complexin-SNARE Complex from Squid 2002) :

• 

  aux résidus 214 à 232 de la syntaxine.
• aux résidus 47 à 68 de la synaptobrévine.

Deux résidus tyrosine (Y52 et Y70) et trois résidus arginine (R48, R59 et R63) de la complexine semblent être essentiels pour la liaison au complexe SNARE.

• La chaîne latérale de Y52 établit des contacts étendus avec la synaptobrévine 2/VAMP2, y compris une liaison hydrogène avec la chaîne latérale D64.
• Y70 est impliqué dans des contacts étendus avec la syntaxine, formant une liaison hydrogène avec D218.
• Les trois résidus arginine de la complexine forment des ponts salins avec trois résidus aspartate de VAMP2 (D57, D65 et D68) et sont également impliqués dans les interactions hydrophobes.

Les résidus M62, I66, L222 et M229 de Stx1, V50 et L54 de VAMP2 participent à des interactions hydrophobes supplémentaires, tandis qu'un résidu de lysine de la complexine (K69) forme un autre pont salin avec un résidu d'aspartate de la syntaxine (D218).

Les mutations des résidus de l'hélice centrale diminuent l'association de la complexine avec le complexe SNARE (Distinct domains of Complexin I differentially regulate neurotransmitter release 2007).

2. L'hélice accessoire (AH), région N-terminale précédant directement l'hélice centrale (résidus 29 à 47) semble également adopter une conformation hélicoïdale (The accessory helix of complexin functions by stabilizing central helix secondary structure 2014 et Interaction of the Complexin Accessory Helix with the C-Terminus of the SNARE Complex: Molecular-Dynamics Model of the Fusion Clamp 2013).

• Bien que ce motif ne soit pas essentiel pour la liaison SNARE, les résidus N-terminaux (acides aminés 41 à 47) semblent améliorer la liaison SNARE de l'hélice centrale.
• La formation de l'hélice semble commencer dans l'hélice accessoire et se propage ensuite dans la région de l'hélice centrale, stabilisant ainsi potentiellement l'hélice centrale et augmentant la liaison SNARE.

Les séquences du côté C-terminal (résidus 71 à 77) peuvent aussi contribuer à la stabilisation de l'hélice centrale (The Positively Charged Residues in the Fragment 71 – 77 of Complexin is Required for its Binding to SNARE Comple 2007).

Remarque : Deux sites de phosphorylation de Cplx1/2 sur Ser115 ou Ser 93 semblent réguler les interactions complexine/SNARE.

Interactions avec
la synaptotagmine

Deux molécules de la synaptotagmine (Syt1) interagissent simultanément avec deux interfaces de liaison sur les côtés opposés du complexe SNARE pour créer une interface tripartite SNARE-complexine-synaptotagmine, i.e. SNARE-Cplx-Syt1 (interface tripartite SNARE-Cplx-Syt1).

• L'hélice HA du domaine C2B de Syt1 étend l'hélice α centrale de Cplx.
• Avec la courte hélice 3₁₀T3 du domaine C2B et le complexe SNARE, ces deux hélices forme un faisceau de six hélices.

Rôles de la complexine