Domaines protéiques
Motifs de liaison à la calmoduline (calmodulin-binding motif)

La calmoduline (CaM) est un capteur intracellulaire du Ca²⁺ qui traduit les variations de la concentration cytosolique de Ca²⁺ en modifications de l'activité de nombreuses protéines cibles..

Leur classification distingue (Structural diversity of calmodulin binding to its target sites 2013) :

• 

  les domaines IQ qui peuvent fixer la CaM en l'absence de Ca²⁺ et permettent fréquemment une association constitutive ou préassociée de la CaM à sa protéine cible,
• d'autres motifs de liaison reconnus préférentiellement par la CaM après fixation du Ca²⁺.

Motif IQ

Les motifs IQ sont de courts motifs protéiques de liaison à la calmoduline capables de fixer la CaM en l'absence de Ca²⁺ (Do calmodulin binding IQ motifs have built‐in capping domains? 2021).

Le nom IQ se réfère aux deux premiers acides aminés du motif : isoleucine (I), le plus souvent, et glutamine (Q) invariablement.

Structure du motif IQ

Le motif IQ est un court motif de séquence, généralement inclus dans une région de liaison à la CaM d'une vingtaine de résidus, largement retrouvé dans les organismes vivants (Sequence motifs for calmodulin recognition 1997 et Calmodulin signaling via the IQ motif 2002).

• La séquence consensus étendue est [FILV]Qxxx[RK]Gxxx[RK]xx[FILVWY] dans laquelle les acides aminés aux positions 1, 2, 5, 6, 11 et 14 sont hautement conservés (A model of Ca2+-free calmodulin binding to unconventional myosins reveals how calmodulin acts as a regulatory switch 1996).
• Lors de sa liaison à la CaM, le motif IQ adopte généralement une conformation en hélice α amphiphile.

Plusieurs motifs IQ peuvent être présents en tandem dans une même protéine, comme dans le cou de nombreuses myosines ; les séquences qui les séparent peuvent également contribuer à l'organisation structurale et fonctionnelle de cette région.

Protéines à motif IQ

Les motifs IQ sont présents dans de nombreuses protéines cibles de la calmoduline et participent ainsi à la régulation de nombreux processus cellulaires dépendants du Ca²⁺/CaM.

On trouve ce motif dans (cf. tableau) :

• les myosines,
• les canaux voltage-dépendants,
• les protéines de croissance neuronales,
• les phosphatases,
• les protéines de surface du sperme,
• les petites GTPases Ras et les RasGAP,
• les protéines associées au fuseau,
• plusieurs protéines spécifiques aux plantes.

1. Dans les myosines, les motifs IQ du cou constituent des sites de liaison pour la calmoduline ou pour des chaînes légères apparentées à la calmoduline, comme les chaînes légères essentielles (ELC) et régulatrices (RLC).

• Le cou de nombreuses myosines comporte un ou plusieurs motifs IQ, souvent organisés en tandem séparées par 9-16 résidus d'acides aminés.
• Le cou de la myosine IIa, par exemple, est formé de deux domaines IQ, ([I,L,V]QxxxRGxxx[R,K]), tandis que la myosine V en contient six (Crystal structure of apo-calmodulin bound to the first two IQ motifs of myosin V reveals essential recognition features 2006).

2. Parmi les canaux ioniques, des motifs IQ ou IQ-like participant à la liaison de la CaM sont présents notamment dans :

• les canaux potassiques voltage-dépendants comme les K_V7,
• les canaux calciques voltage-dépendants (Ca_V), comme certains Ca_V1 et Ca_V2,
• les canaux sodiques voltage-dépendants (Na_V)

Autres motifs et sites de liaison à la calmoduline

La fixation du Ca²⁺ à la CaM provoque un changement conformationnel qui expose des surfaces hydrophobes et favorise sa liaison à de nombreuses protéines cibles.

Contrairement au motif IQ, les sites de liaison Ca²⁺/CaM-dépendants présentent une grande diversité de séquences, mais partagent souvent certaines caractéristiques structurales (cf. tableau dans Calmodulation meta-analysis: Predicting calmodulin binding via canonical motif clustering 2016).

Un modèle structurel particulier (CMBD) est décrit dans les canaux potassiques activés par le calcium (KCa), comme IK (K_Ca3) ou SK (K_Ca2).

Résidus hydrophobes

1. De nombreux motifs de liaison à Ca²⁺/CaM comportent des résidus hydrophobes volumineux (F, I, L, V ou W), qui constituent des " ancres " participant à l'interaction avec les poches hydrophobes des deux lobes de la CaM.

L'espacement entre ces résidus hydrophobes permet de distinguer plusieurs classes de motifs, dont :

• 1-10 : [FILVW]xxxxxxxx[FILVW] ;
• 1-5-10 : [FILVW]xxx[FAILVW]xxxx[FILVW]…

2. Les résidus intermédiaires et l'espacement entre les ancres hydrophobes sont très variables. Le linker central flexible de la CaM permet aux deux lobes d'adopter différentes orientations et de reconnaître ainsi des séquences cibles très diverses (Backbone Dynamics of Calmodulin Studied by 15N Relaxation Using Inverse Detected Two-Dimensional NMR Spectroscopy: The Central Helix Is Flexible 1992).

Autres motifs

La CaM peut aussi reconnaître d'autres motifs qui contiennent des résidus hydrophobes plus éloignés (16 et 17 résidus) ou plus proches (6 résidus) que les motifs classiques de liaison dépendants de Ca²⁺.

1. Le domaine NSCaTE (N-terminal spatial Ca²⁺ transforming element), est un motif de liaison à la CaM situé dans l'extrémité N-terminale de certains canaux Ca_V.

Cette région, comprenant de nombreuses alanines, de 10 à 20 résidus (51-60 ou 48-68), adopte une conformation en hélice α lors de son interaction avec la CaM, participe à la régulation Ca²⁺-dépendante du canal.

2. Le récepteur de la ryanodine de type 1 (RyR1), comprenant une hélice alpha amphipathique basique (BAA ou Basic Amphipathic Alpha helix), possède un site de liaison à la calmoduline qui participe à la régulation du canal (Complex of Calmodulin with a Ryanodine Receptor Target Reveals a Novel, Flexible Binding Mode 2006 et Calcium-Dependent Energetics of Calmodulin Domain Interactions with Regulatory Regions of the Ryanodine Receptor Type 1 (RyR1) 2014).

• À faible concentration de Ca²⁺, l'apo-CaM peut favoriser son activité.
• À concentration plus élevée, le complexe Ca²⁺/calmoduline inhibe RyR1 et limite la libération de Ca²⁺ par le réticulum sarcoplasmique (RE).

3. La PMCA (Plasma Membrane Ca²⁺-ATPase) possède dans sa région C-terminale un domaine autorégulateur contenant un site de liaison à la CaM.

La fixation de Ca²⁺/CaM lève l'autoinhibition de la pompe et stimule l'extrusion du Ca²⁺ hors de la cellule (Calmodulin wraps around its binding domain in the plasma membrane Ca2+ pump anchored by a novel 18-1 motif 2010).

4. Le récepteur NMDA possède des sites de liaison à la CaM dans des régions cytoplasmiques de sa sous-unité GluN1 (anciennement NR1), qui participent à sa régulation Ca²⁺-dépendante (The NMDA Receptor NR1 C1 Region Bound to Calmodulin: Structural Insights into Functional Differences between Homologous Domains 2007).

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