Contrairement aux récepteurs aux sidérophores, peu de récepteurs à hème sont actuellement étudiés et caractérisés structuralement, bien que par alignement de séquence, beaucoup de protéines membranaires sont classées dans la famille des récepteurs à hème avec une identité de séquence allant de 20 % à 90 % (Stojiljkovic and Perkins-Balding, 2002). Le premier récepteur à hème identifié fut HemR de Yersinia enterocolitica qui permet l’utilisation d’hème ou d’hémoglobine comme source de fer par la bactérie. L’expression de HemR chez une souche d’E. coli incapable de synthétiser l’hème permet à cette souche de croître en conditions aérobies, avec de l’hème ou de l’hémoglobine dans le milieu extracellulaire. La séquence de HemR ainsi que les études génétiques montrent qu’il appartient à la famille des récepteurs TonB-dépendants. Les études ultérieures ont montré que des éléments de séquence primaire permettent de distinguer les récepteurs à hème/hémoprotéine des récepteurs aux sidérophores.
Figure 9 : Eléments de structure primaire conservés chez les récepteurs à hème.
Alignement des récepteurs HasR homologues de S. marcescens, Y. pestis et enterocolitica, P. aeruginosa et fluorescens, et des récepteurs HemR et HmuR de Y. enterocolitica et Y. pestis. Deux histidines sont conservées le long de la séquence. La première se situe dans une boucle du bouchon tandis que la seconde est localisée dans une boucle externe du tonneau, entre les motifs FRAP et NPNL.
Abbildung 9 : Konservierte Primäre Structure-elemente in Häm-Rezeptoren.
Sequenz-Alignment von HasR Homologen aus S. marcescens, Y. pestis und Y. enterocolitica, P. aeruginosa und P.
fluorescens, sowie HemR und HmuR von Y. enterocolitica und Y. pestis. In der Sequenz sind zwei Histidine konserviert.
Eines befindet sich in einem Loop der Plug-Domäne, das zweite in einem extrazellulären Loop des Barrels zwischen die Primärstrahlere.
Les récepteurs TonB-dépendants
___________________________________________________________________________________
Les alignements de séquences entre les différents récepteurs à hème identifiés montrent la présence de motifs et de résidus conservés spécifiques à cette classe de récepteurs: deux motifs consensus “FRAP” et “NPNL” sont présents dans le tonneau et deux histidines conservées sont également présentes, l’une dans le tonneau entre les motifs “FRAP” et “NPNL”, l’autre dans le bouchon (Figure 9). La modélisation in silico de ces récepteurs a indiqué que les deux histidines conservées sont potentiellement proches l’une de l’autre, du côté extracellulaire (l’histidine du bouchon étant au sommet d’une boucle), et que les motifs FRAP et NPNL sont également proches l’un de l’autre sur deux brins bêta séparés par la boucle portant l’histidine du tonneau (Olczak et al., 2005).
Des expériences de marquage à la fluorescéine montrent d’ailleurs leur accessibilité à la surface extracellulaire (Stojiljkovic and Perkins-Balding, 2002).
2.2.3.1 Spécificité de substrat
Les récepteurs à hème peuvent être classés en deux groupes selon leur spécificité de substrat. En effet, l’hème est rarement libre dans l’environnement, et est le plus souvent associé avec des protéines. Certains récepteurs sont relativement spécifiques d’un substrat héminique tandis que d’autres reconnaissent vraisemblablement l’hème et ne discriminent que peu ou pas entre les différentes sources. HmbR de Neisseria meningitidis n’utilise que l’hème libre ou l’hème de l’hémoglobine, tandis que HemR de Y. enterocolitica est susceptible de transporter l’hème de nombreuses sources (hémoglobine, hémopexine, catalase, hémoglobine-haptoglobine, myoglobine, sérum-albumine). Neisseiria et Haemophilus expriment plusieurs récepteurs spécifiques de l’hémoglobine et du complexe hémoglobine/haptoglobine (HmbR, HpuAB, HgpA, HgpB, HgpC, HgbA).
Inversement, les entérobactéries expriment des récepteurs relativement non spécifiques (HmuR (Y. pestis), HemR (Y. enterocolitica)) quant au substrat héminique (Hornung et al., 1996), (Bracken et al., 1999). P. gingivalis exprime aussi un récepteur HmuR homologue de celui de Y. pestis. Son affinité pour
Les récepteurs TonB-dépendants
___________________________________________________________________________________
l’hème de 2,4 × 105 M-1, a été mesurée in vivo sur des cellules exprimant à leur surface le récepteur (Genco and Dixon, 2001).
2.2.3.2 Interaction récepteur/substrat chez les récepteurs à hème
Les motifs conservés FRAP, NPNL, ainsi que les histidines du tonneau et du bouchon ont été mutés dans les récepteurs HemR de Y. enterocolitica, HmuR de P. gingivalis et HmbR de N. meningitidis (Bracken et al., 1999), (Olczak et al., 2005). Les résultats obtenus montrent l’importance des histidines conservées dans l’acquisition de l’hème directement ou via l’hémoglobine, en ce qui concerne HemR et HmuR. Il est proposé que les motifs FRAP et NPNL sont impliqués dans l’utilisation (les deux motifs), et la fixation (NPNL) des substrats protéiques.
Le modèle de fonctionnement pour HemR propose que les deux histidines conservées soient les ligands successifs du fer de l’hème. Cependant, sans donnée structurale supplémentaire, leur rôle comme ligand préférentiel de l’hème reste à l’état d’hypothèse, calqué sur les ligands déterminés dans d’autres hémoprotéines. On doit néanmoins remarquer que, contrairement aux sidérophores où toutes les coordinations du Fer sont fournies par le sidérophore lui-même, ce n’est pas le cas pour l’hème, ce qui renforce l’hypothèse proposée.
Pour les récepteurs qui font peu de distinction entre les différentes sources d’hème, il est possible que le récepteur reconnaisse l’hème exposé à la surface et non la protéine qui le transporte (Stojiljkovic and Perkins-Balding, 2002). Dans l’hémoglobine, les deux chaînes propionates de l’hème exposées au solvant, pourraient notamment servir de ligand au récepteur (Harrington et al., 1998).
Cependant, cette idée soulève des interrogations quant au transfert de l’hème de l’hémoprotéine donneuse sur le récepteur receveur. En effet, dans le cas de HmuR, récepteur à hème/hémoglobine, son affinité pour l’hème est de l’ordre de 105 M-1 tandis que l’affinité de l’hémoglobine pour l’hème est bien supérieure de l’ordre de 1012 M-1 (0,8 × 1012 M-1 pour la chaîne alpha, 4,2 × 1012 M-1 pour la chaîne bêta) (Hargrove et al., 1997). Thermodynamiquement, le transfert de
Les récepteurs TonB-dépendants
___________________________________________________________________________________
l’hème parait donc défavorable. Il est possible qu’au contact du récepteur, des changements de conformation du substrat se produisent, permettant ce transfert.
Ces changements pourraient ou non dépendre de l’énergie apportée par le complexe TonB.