Transport membranaire
Transports sans mouvements membranaires
Transporteurs actifs : pompes (transporteurs primaires)
Transporteurs ABC : structure

Structure générale des transporteurs ABC

Vue d'ensemble

1. Un transporteur ABC canonique des eucaryotes comporte quatre domaines, i.e. appelés transporteurs complets ou full (Mammalian drug efflux transporters of the ATP binding cassette (ABC) family in multidrug resistance: A review of the past decade 2016) :

• deux domaines transmembranaires (TMD),
• deux domaines de liaison aux nucléotides (NBD), i.e. domaines de liaison à l’ATP.

a. Toutefois, certains membres de la famille des transporteurs ABCG, pour assurer leur fonction, s’organisent en hémi-transporteurs (half) qui :

• s’homodimérisent comme ABCG1,
• s'hétérodimérisent comme ABCG5/8.

b. Certains transporteurs des familles ABCE et ABCF solubles sont constitués seulement par des domaines NBDs.

• Ce ne sont pas de vrais transporteurs car ils contrôlent la traduction d'ARNm.
• Par contre, ils possèdent une cassette liant l'ATP (ATP Binding Cassette), d'où leur place dans cette famille.

2. Toutefois il existe d'autres exceptions.

a. La famille des ABCC et quelques membres des ABCD possèdent des domaines supplémentaires comme le domaine TMD0 pour ABCC1 (Structure of Ycf1p reveals the transmembrane domain TMD0 and the regulatory region of ABCC transporters 2021).

b. Certains transporteurs ABC ont des domaines régulateurs (RD) comme ABCA1 ou ABCC7.

3. Les transporteurs sont sujets aux modifications post-traductionnelles qui sont essentielles dans la stabilisation, le trafic et l’activité de ces transporteurs :

• glycosylation et palmitoylation,
• phosphorylation et l'acétylation,

• 

  l’ubiquitination et la sumoylation.

Remarque : chez les procaryotes, les transporteurs sont souvent assemblés à partir de sous-unités protéiques distinctes (2 TMD et 2 NBD) et peuvent être homodimériques ou hétérodimériques.

• Parfois, deux ou même trois sous-unités sont fusionnées en une protéine multi-domaine.
• En particulier, les deux NBD sont parfois fusionnés, et chez de nombreux exportateurs, les TMD sont fusionnés avec les NBD, comme pour l'exportateur bactérien MsbA2 (Flexibility in the ABC transporter MsbA: Alternating access with a twist 2007).

4. Les importateurs ABC de type I et II sont dépendants de domaines de liaison au substrat solubles (SBD) ou de protéines de liaison au substrat (SBP) supplémentaires qui capturent le substrat transporté du côté trans et le transmettent aux TMD (liaisons au substrat).

Domaines transmembranaires (TMD)

La structure des TMD (TransMembrane Domain) hydrophobes diffère sensiblement d'une molécule à l'autre.

• La voie de translocation est située à l'interface entre les deux TMD (cf. tableau).
• Le pore est formé de 10 à 16 hélices α transmembranaires selon le transporteur.

1. Les exportateurs contiennent :

• 12 TMD pour les transporteurs entiers, quelquefois 17 pour ceux contenant un TMD0,
• 6 pour les hémi-transporteurs.

2. Les TMD des importateurs de classe I comportent, en général, 5 hélices (TM).

• Une hélice supplémentaire N-terminale peut entourer les hélices des autres TM pour les entrelacer.
• Certains TMD peuvent en avoir 8.

3. Les TMD des importateurs de classe II en possèdent 10.

4. Les TMD des ECF (Energy Coupling Factor) sont structurellement et fonctionnellement indépendants (Structure of a bacterial energy-coupling factor transporter 2013 et Structural and mechanistic insights into prokaryotic energy-coupling factor transporters 2014).

• Un TMD est appelé sous-unité EcfT (ou composant T) à quatre à huit hélices selon les transporteurs.
• Le second TMD est appelé composant S à 6 hélices.

Domaines de liaison
aux nucléotides (NBD)

Les domaines NBD (Nucleotide Binding Domain), largement conservés, caractérisent la famille des transporteurs ABC.

• L'homologie est de 30 à 50 % entre les bactéries et les eucaryotes, impliquant un mécanisme de couplage d'énergie conservé.
• Les NBD des transporteurs ABC appartiennent à un sous-groupe de la superfamille des NTPases (NTP : nucléosides triphosphates).

Chaque NBD (appelé aussi ATPase ou ABC), de 200 résidus environ, est constitué de deux sous-domaines :

• un grand domaine RecA-like, retrouvé dans d'autres ATPases avec une P-loop (motif Walker A),
• un domaine α-hélicoïdal, spécifique aux transporteurs ABC et hautement conservé par l'évolution.

Structure des NBD

La succession des résidus est la suivante.

1. La boucle A contient un résidu aromatique conservé, souvent une tyrosine (T), pour bien positionner l'ATP par son anneau d'adénine.

2. Le motif Walker A ou P-loop (boucle P, phosphate-binding loop), GxGxGK(S/T), est une boucle de liaison au phosphate.

• Il contient un résidu lysine (K) hautement conservé.
• Le squelette azoté de l'amide et le groupe ε-amino de la lysine forment un réseau d'interactions avec les β- et y-phosphates de l'ATP.

3. Le motif Walker B, ϕϕϕϕDE, dans lequel ϕ est un résidu hydrophobe, coordonne, en partie, le Mg⁺⁺.

• Il possède un aspartate (D) conservé.
• Le glutamate (E) est probablement le résidu acide qui active la molécule d’eau pour l’attaque nucléophile du γ-phosphate (Snapshots of the maltose transporter during ATP hydrolysis 2011).

4. La boucle D, avec le motif SALD, suit directement le motif Walker B.

• Les boucles D des deux monomères de l'ensemble dimérique se côtoient.
• Les changements dans la conformation de la boucle D affectent la géométrie du site catalytique et forment, en partie, le site d'hydrolyse de l'ATP.

5. La boucle H (ou région de commutation) positionne, de manière adéquate, la molécule d'eau, le Mg⁺⁺ et la base générale.

• Un résidu histidine forme une charnière entre un brin β (β-strand) et une hélice α près de l'extrémité C-terminale du NBD.
• Ce résidu entre en interaction avec l'aspartate (D) conservé de la boucle D, le résidu glutamate (E) du motif Walker B et avec le y-phosphate de l'ATP.

6. La boucle Q, de huit résidus environ, possède, comme son nom l'indique, un résidu glutamine (Q) conservé à son extrémité N-terminale.

Ce résidu est situé à l'interface entre les sous-domaines RecA-like et α-hélicoïdal.

• Les changements conformationnels de la boucle Q permettent au résidu de glutamine d'entrer et de sortir du site actif pendant le cycle d'hydrolyse.
  
• Il permet la formation du site actif lorsque le Mg-ATP est lié et le perturbe une fois que l'ATP est hydrolysé.

La boucle Q est également un site majeur d'interaction avec les TMD.

7. La signature ABC (LSGGQ) est caractéristique des protéines ABC, absente des autres ATPases.

Elle est située à l'extrémité N-terminale d'une longue hélice qui dirige la charge positive du dipôle hélicoïdal vers le y-phosphate de l'ATP.

Orientations des NBD

Les deux NBD des transporteurs ABC peuvent adopter des orientations différentes l'une par rapport à l'autre.

1. La conformation fermée plaque les deux NBD l'un contre l'autre grâce aux deux ATP qui, chacune, se lient à un NBD.

• La signature ABC d'un monomère est située à proximité des motifs Walker A (boucle P) et B et des boucles A, H et Q de l'autre domaine.
• Les sous-domaines RecA et hélicoïdal α de chaque NBD sont tournés l'un vers l'autre.

C'est dans cette conformation que l'hydrolyse peut avoir lieu.

2. La conformation ouverte correspond à une dissociation partielle des deux NBD.

• L'hydrolyse de l'ATP en Pi et ADP déstabilise le dimère et permet aux NBD de s'écarter.
• Les sous-domaines RecA et hélicoïdal α de chaque NBD s'éloignent l'un de l'autre.

3. Dans de nombreux cas, il semble qu'un seul site ATPasique soit fonctionnel car souvent les transporteurs sont hétéromères avec des mutations dans les motifs d'un NBD (Mechanism of the ABC transporter ATPase domains: catalytic models and the biochemical and biophysical record 2013).

C'est le cas de ABCG5/8.

Couplages entre NBD et TMD

La translocation à travers les membranes nécessite une communication allostérique entre les NBD catalytiques et les TMD exportant le substrat.

1. Dans les modèles dérivés de transporteurs bactériens, les changements conformationnels de TMD résultent de l'engagement des NBD avec des hélices dites de couplage (CpH ou Coupling Helices) dans les boucles intracellulaires des TMD (Uptake or extrusion: crystal structures of full ABC transporters suggest a common mechanism 2007).

a. L'hélice de couplage est une hélice α courte située dans une protubérance cytoplasmique du TMD qui s'encoche dans une rainure d'un monomère NBD.

• La région des NBD qui interagit avec l'hélice de couplage des TMD contient la boucle Q.
• Cette rainure est située exactement à l'interface entre le sous-domaine hélicoïdal α et le sous-domaine RecA, qui tournent l'un vers l'autre en réponse à la liaison de l'ATP pour l'hydrolyse de l'ATP.

b. De cette manière, chaque NBD est connecté à un TMD, et les changements de conformation dans les NBD peuvent être transformés en changements conformationnels dans les TMD.

2. Dans certains transporteurs, on trouve deux autres hélices comme dans les transporteurs ABCG :

• une hélice de connexion (CnH),
• une hélice E.

Remarque : les NBD ne s'associent pas toujours avec les TMD, mais peuvent également être impliqués dans d'autres fonctions qui ne sont pas en rapport avec les membranes (The ABC-F protein EttA gates ribosome entry into the translation elongation cycle 2014).

Liaison du substrat et mécanisme du transport