Fusion membranaire : protéines SNARE
Régulation par les domaines des SNARE

Domaine Habc

Structure

Le domaine Habc, retrouvé dans les Qa-, Qb- et certains Qc-SNARE, forme un faisceau replié de trois hélices α (a, b et c) superposables, connecté au domaine SNARE par un long lien flexible (linker).

1. Ces domaines :

• sont peu ou pas conservés au niveau de la séquence primaire (SNAREs - engines for membrane fusion 2006 et The Habc domain of syntaxin 3 is a ubiquitin binding domain 2020).
• partagent tous un pli hautement conservé (Three-Dimensional Structure of an Evolutionarily Conserved N-Terminal Domain of Syntaxin 1A 1998).

Remarque : Le domaine GAT (GGA et TOM1) de GGA1 (Golgi-localized γ-ear containing Arf binding 1) s'est avéré presque superposable avec les domaines Habc de Stx1A et Stx6 malgré leur manque de similarité de séquence (Structure of the GAT domain of human GGA1: A syntaxin amino-terminal domain fold in an endosomal trafficking adaptor 2003).

" Ouverture " de Stx1

Dans certaines syntaxines (Stx), en particulier dans Stx1, mais pas toutes, les domaines Habc ont la capacité de s'engager dans une interaction intramoléculaire avec le domaine SNARE pour inhiber la formation du faisceau hélicoïdal tétramérique du complexe SNARE, et la fusion membranaire.

1. Lorsqu'elle n'est pas liée au complexe SNARE, la syntaxine s'auto-inhibe par le repliement du domaine Habc pour masquer son motif SNARE C-terminal.

Cette conformation " fermée " inhibe la formation de complexes avec les autres protéines SNARE apparentées et donc la fusion membranaire.

Stx1 s'associe sur toute la longueur du domaine cytoplasmique de Stx1 avec Munc18, ce qui provoque la " fermeture " de Stx1 (complexe Sec1/Munc18-Qa).

On ne sait pas si la syntaxine s'auto-inhibe toute seule ou si elle nécessite Munc18 pour le faire

2. Lorsque la syntaxine est activée, elle se déplie dans la conformation " ouverte ", exposant le motif SNARE pour participer à la formation du faisceau à quatre hélices essentiel à la fusion ( SNARE assembly enlightened by cryo-EM structures of a synaptobrevin–Munc18-1–syntaxin-1 complex 2022).

3. Les domaines Habc de diverses syntaxines se sont avérés être des sites de liaison aux protéines qui régulent la fonction SNARE, y compris celles des familles Munc18, Munc13 et synaptotagmine.

Domaine longin

Le domaine longin a d'abord été identifié comme un module de régulation des protéines de fusion membranaire des SNARE, avant d'être détecter dans six autres familles importantes de protéines de trafic.

Structure du domaine longin

Le domaine longin forme un pli globulaire de 120 à 140 acides résidus, disposé en sandwich α-β-α, l'un des plis les plus courants trouvés dans la nature.

1. Cette topologie unique, i.e. cinq brins β antiparallèles pris en sandwich par une hélice α (αp) d'un côté et deux hélices α (αx/y) de l'autre, se retrouvent dans les sept familles, mais pas dans la profiline qui est apparentée (Longin and GAF Domains: Structural Evolution and Adaptation to the Subcellular Trafficking Machinery 2014).

2. Trois régions de liaison (régions A, B et C) ont été identifiées au sein des protéines à domaine longin.

a. La région A est impliquée dans les interactions intra- et inter-moléculaires, i.e. αp, β3 et la partie N-terminale de β4 et dans certains cas, en plus, β1 N-terminal, β5 C-terminal et αy N-terminal.

b. La région B est impliquée dans les interactions avec les petites GTPases, i.e. αp et l'épingle à cheveux β1-β2 ainsi que les hélices αx-αy.

c. La région C, impliquée dans des interactions conformationnelles avec des complexes protéiques volumineux, est la région la plus variable en raison du nombre différent d'hélices α supplémentaires.

• Dans différentes superfamilles homologues de longin, cette région de liaison peut impliquer soit une hélice αx ou αy individuelle, soit les deux.
• Dans les profilines, protéine qui interagit avec l'actine et dont le rôle est complexe ( profiline et actine), elle est centrée entre les deux hélices.

Fonctions du domaine longin

Dans les protéines non SNARE

Adaptines et COPI/II

1. Les complexes d'enveloppe vésiculaire contenant le domaine longin interviennent dans le bourgeonnement des vésicules et la sélection des cargos dans :

• les voies endocytaire et sécrétoire (protéines adaptatrices, AP-1 à AP-5),
• le trafic des vésicules de l'appareil de Golgi vers le réticulum endoplasmique (COPI/II).

2. Ces complexes comprennent deux sous-unités centrales contenant un domaine longin qui stabilisent leur conformation :

• 

  les sous-unités σ et μ du complexe AP-5 impliqué dans le trafic des endosomes tardifs,
• les sous-unités δ et ζ de COPI, homologues structuraux et fonctionnels des sous-unités μ et σ des AP, i.e. COPI qui joue le même rôle dans la voie de trafic rétrograde du Golgi vers le réticulum endoplasmique (Structure of Coatomer Cage Proteins and the Relationship among COPI, COPII, and Clathrin Vesicle Coats 2010).

SAND

Dans les SAND, la famille comprend chez l'homme :

• les protéines HPS1/4, HPS1 et 4 font partie du complexe BLOC3, HPS3 du complexe BLOC2 indispensable à la biogenèse des LRO (Lysosome-Related Organelles),
• Mon1A/B et Ccz1/C7orf28A 25, Mon1 et Ccz1 sont impliquées dans la conversion des Rab ( conversion de Rab5 à Rab7).

Sédlines

Dans les sédlines, le domaine longin est un composant des complexes TRAPP I et II (TRAnsport Protein Particle) qui se localisent à la surface du cis-Golgi et du trans-Golgi (TGN), respectivement, et sont nécessaires pour attacher les vésicules dérivées du réticulum endoplasmique (RE) à la membrane de Golgi et pour le trafic intra-Golgi.

• Dans les complexes TRAPP I multimériques, le domaine longin est présent dans trois sous-unités, i.e. sedline/TRAPPC2, synbindine/TRAPPC4 (Synb) et Bet5/TRAPPC1 (In Sickness and in Health: The Role of TRAPP and Associated Proteins in Disease 2014).
• Les structures cristallines de ces sous-unités révèlent un domaine longin avec une forte similitude avec celui des SNARE, malgré l'absence de similitude de séquence.

Targetines

Dans les targetines, le domaine longin est exprimé de manière différentielle dans les cellules normales et néoplasiques (DENN) et les protéines létales synthétiques APL2 VPS1 (AVL).

• Ces GEF (Guanine nucleotide exchange factor) sont importantes chez les eucaryotes supérieurs, dans lesquels le domaine longin régulateur N-terminal (domaine u-DENN) est adjacent au domaine DENN du facteur d'échange GTP-GDP.
• Le module DENN tripartite, i.e. domaine longin N-terminal, domaines DENN et d-DENN, est un GEF pour les petites GTPases Rab, qui sont des régulateurs de pratiquement tous les événements de trafic membranaire chez les eucaryotes.

Dans les protéines SNARE

Inhibition par interaction avec le domaine SNARE

La région A est impliquée à la fois (Structure and function of longin SNAREs 2015) :

• dans les interactions intramoléculaires avec le domaine SNARE (pour réguler son activité),
• dans la liaison intermoléculaire à d'autres protéines de trafic afin de cibler les longin des SNARE vers leur site d'action.

2. VAMP7 et Ykt6, seuls, peuvent adopter une conformation fermée et stable qui altère l'assemblage du complexe SNARE

Vamp7 s'auto-inhibe par l'interaction de son domaine longin avec son propre domaine SNARE, renforcé par Varp ( activation de VAMP7).

• Cette conformation " fermée " majoritaire en solution lui permet son déplacement au sein de la cellule.
• La phosphorylation de la tyrosine 45 (Y45) de β3 provoque la transition de sa position fermée à la position ouverte.

Ykt6 s'auto-inhibe aussi par l'interaction de son domaine longin avec son propre domaine SNARE ( activation de Ykt6).

• Cette conformation inactive de Ykt6 est stabilisée par le groupe farnésyl, pris en sandwich entre le domaine SNARE et le domaine longin.
• La phosphorylation sur un site conservé au cours de l'évolution dans le domaine SNARE peut réguler un changement conformationnel d'une forme cytosolique fermée à une forme plus ouverte liée à la membrane.

3. Sec22, selon les auteurs :

• soit s'auto-inhiberait pas,
• soit pourrait adopter une conformation fermée différente de celle de Ykt6 et VAMP7.

Interactions avec d'autres partenaires

Une fois, le domaine longin détaché du domaine SNARE pour VAMP7 et Ykt6, ou ? pour Sec22, il peut interagir avec un grand nombre de partenaires.

On peut prendre deux exemple parmi tant d'autres.

• VAMP7 peut interagir par exemple avec la sous-unité δ de l'adaptine AP-3 qui cible VAMP7  sur les vésicules synaptiques et sur les endosomes tardifs/lysosomes ( rôles de VAMP7)).
• Sec22 se lie aux sous-unités COPII Sec23-Sec24.

Domaine longin et ribosomes

Le domaine longin a également un rôle structurel dans le récepteur de particules de reconnaissance de signal (SR).

• SR est un hétérodimère de deux GTPases SRα et SRβ (SRPR/SRPRB) qui participe au recrutement des ribosomes à la surface de le réticulum endoplasmique (The Structure of the Mammalian Signal Recognition Particle (SRP) Receptor as Prototype for the Interaction of Small GTPases with Longin Domains 2006).
• La structure cristalline du complexe SR révèle la présence d'un domaine longin dans la région N-terminale de SRα qui interagit avec SRβ.

Protéines SM (Sec1/Munc18)