Fusion membranaire : protéines SNARE
Vue d'ensemble et structure

Généralités

1. Le trafic vésiculaire dans les cellules eucaryotes est effectué par toutes sortes de vésicules de transport qui bourgeonnent à partir d'un compartiment précurseur et sont transportées vers leur compartiment de destination où elles s'amarrent et fusionnent ( étapes du trafic vésiculaire).

2. Lorsqu'une vésicule est libérée de son compartiment donneur, elle doit contenir un " plan de navigation " intégré afin d'atteindre la bonne destination intracellulaire, i.e. une sorte de code zip.

Pour atteindre leur destination intracellulaire, les vésicules de transport doivent comporter des signaux de ciblage comme les petites GTPases Rab et les phosphoinositides qui sont reconnus par des facteurs de liaison dans le cytoplasme et qui relient les vésicules à leur compartiment de destination respectif ( machinerie de fusion).

Remarque : une exception partielle est celle de la fusion homotypique des membranes du réticulum endoplasmique (RE) par les atlastines des métazoaires/Sey1p des levures (Fusion of the endoplasmic reticulum by membrane-bound GTPases 2016).

Vue d'ensemble des protéines SNARE

La famille des protéines SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment protein REceptor) est composée de 36 membres chez l'homme, 25 membres chez la levure qui résident sur toutes les endomembranes (An Elaborate Classification of SNARE Proteins Sheds Light on the Conservation of the Eukaryotic Endomembrane System 2007). .

1. Les protéines SNARE forment quatre sous-familles conservées au cours de l'évolution :

• les v-SNARE (v pour vésiculaire), qui sont pour la plupart des R-SNARE,
• les t-SNARE (t pour target, cible) qui sont pour la plupart des Q-SNARE qui comprennent les Qa, Qb et Qc ( infos sur la nomenclature).

2. La catalyse de la fusion membranaire par les protéines SNARE est médiée par l'assemblage progressif en forme de fermeture éclair de quatre motifs SNARE, un membre en général de chaque sous-famille, (Qa/b/c et R) résidant sur les deux membranes opposées et formant le complexe trans-SNARE (SNARE complex assembly and disassembly 2018).

• Les protéines SNARE ne forment qu'un nombre défini de complexes SNARE compétents en fusion.
• La fermeture éclair est exergonique et entraîne la formation d'un faisceau de quatre hélices avec les domaines transmembranaires adjacents les uns aux autres, tirant ainsi les membranes ensemble et surmontant la barrière d'énergie pour la fusion (SNARE zippering 2016).

3. Après la fusion, l'ATPase NSF (N-ethylmaleimide Sensitive Factor) et les α-SNAP (Soluble NSF Attachment Protein), i.e. qui n'ont rien à voir avec les Q-SNARE comme SNAP-25 par exemple, désassemblent le complexe SNARE avec l'énergie libérée lors de l'hydrolyse de l'ATP, rendant les SNARE individuels disponibles pour les prochains cycles de fusion ( désassemblage du complexe SNARE).

Structure des protéines SNARE

Les SNARE sont des petites protéines, de structure et de taille variées, qui contiennent au moins un motif SNARE de 60 à 70 résidus (Tethering the assembly of SNARE complexes 2013).

Domaine ou motif SNARE

Vue d'ensemble

1. Le domaine SNARE, i.e. moteur crucial de la fusion est composé de huit répétitions de 7 acides aminés caractéristiques (A-G), qui peuvent former des structures coiled coil (Crystal structure of the endosomal SNARE complex reveals common structural principles of all SNAREs 2002).

• A et D sont des résidus hydrophobes, appelés aussi couches (layers), et forment des interactions étroites,
• les autres résidus sont polarisés ou chargés.

Remarque : on retrouve souvent ces heptades dans des molécules comme la tropomyosine ( heptade de la tropomyosine) ou les glissières à leucine des cavines par exemple ( oligomérisation des cavines).

2. Le domaine SNARE peut être divisé en deux domaines, i.e. N-terminal (NTD) et C-terminal (CTD).

Remarque : SNAP-25, 23, 29, 47 possèdent deux motifs SNARE.

Couche 0

1. Au milieu du domaine SNARE, il y a un seul résidu polaire ou chargé qui réside dans la position D, en général une glutamine (Q) ou une arginine (R), connue sous le nom de couche 0 (Crystal structure of a SNARE complex involved in synaptic exocytosis at 2.4 A ̊ resolution 1998).

2. Ces résidus de couche zéro, qui sont presque universellement conservés parmi les complexes SNARE, ont donné lieu à une nomenclature alternative utile (Conserved structural features of the synaptic fusion complex: SNARE proteins reclassified as Q- and R-SNAREs 1998 et An Elaborate Classification of SNARE Proteins Sheds Light on the Conservation of the Eukaryotic Endomembrane System 2007).

a. Les R-SNARE qui contiennent une arginine (R) sont pour la plupart des v-SNARE (v pour vésiculaire) et comprennent plusieurs familles.

b. Les Q-SNARE qui contiennent une glutamine (Q), sont pour la plupart des t-SNARE (t pour target, cible) qui comprennent les Qa, Qb et Qc, i.e. a, b et c indiquant leurs positions relatives dans le faisceau à quatre hélices.

Autres domaines

Lien et domaine transmembranaire

1. Dans la plupart des SNARE, le motif SNARE est relié par un lien (linker ou LD), i.e. 147-187 dans la Stx1 qui comprend un motif juxtamembranaire (JM) à un domaine d'ancrage C-membranaire terminal (TM ou TMD).

Le ciblage, souvent unique sur une membrane, i.e. organites du système endomembranaire, mitochondries, membrane plasmique, peroxysomes, est accompli en modifiant :

• soit la composition des résidus d'acides aminés C-terminaux qui touchent le domaine SNARE,
• soit la longueur du domaine transmembranaire.

Les TMD ont des fonctions mécaniques qui vont au-delà de l'ancrage passif du complexe SNARE générateur de force à la fusion des membranes.

2. Toutefois, SNAP-25 et 6 autres SNARE ( cf. figure ci-dessus), n'ont pas de domaine transmembranaire et sont attachés à la membrane via des modifications lipidiques comme la palmitoylation ou la prénylation (farnésylation).

Le remplacement du domaine transmembranaire par des ancres lipidiques conduit à une étape intermédiaire de fusion membranaire où seuls les deux feuillets en contact fusionnent et non les deux feuillets distaux des deux bicouches membranaires (Mechanisms of membrane fusion: disparate players and common principles 2008).

Par exemple, dans le complexe SNARE neuronal ( assemblage du complexe trans-SNARE) :

• les motifs SNARE de la syntaxine 1A (Stx1A) et la synaptobrévine 2/VAMP2, sont reliés par de courts lien (linker) aux régions transmembranaires C-terminales,
• SNAP-25 est ancré à la membrane plasmique via des chaînes palmitoyle liées à des résidus de cystéine dans une région de boucle reliant ses deux motifs SNARE, appelé sn1 et sn2..

Régions N-terminales régulatrices
(NRD ou N-terminal Regulatory Domain)

De nombreuses SNARE possèdent des régions N-terminales régulatrices (NRD ou N-terminal Regulatory Domain).

1. Le peptide N-terminal de Stx1 (résidus 1-26), 5 et 16 interagit avec les protéines SM - Sec1/Munc18-like - (SNAREs and traffic 2005).

2. Le domaine Habc de Stx1 (résidus 27-146) forme un faisceau de trois hélices α, relié au domaine SNARE (147-187) avec lequel il interagit pour inhiber la formation du complexe trans-SNARE (The Habc domain of syntaxin 3 is a ubiquitin binding domain 2020).

3. Le domaine longin de VAMP7 interagit avec le domaine SNARE (The binding of Varp to VAMP7 traps VAMP7 in a closed, fusogenically inactive conformation 2012 et Structure and function of longin SNAREs 2015) DESSIN

4. L'extension N-terminale de VAMP4 (TGN5) contient un motif LL et des groupes acides qui contribuent au recyclage des endosomes vers le réseau trans-Golgi (TGN) (VAMP4 cycles from the cell surface to the trans-Golgi network via sorting and recycling endosomes 2007).

Formation du complexe SNARE