La structure tridimensionnelle à résolution atomique de six récepteurs a actuellement été déterminée. Ces récepteurs participent au transport de sidérophores (ferrichrome, entérobactine, pyoverdine, et pyochéline), de la vitamine B12, et du dicitrate de fer. A l’exception de FepA (récepteur de l’entérobactine) et FptA (récepteur de la pyochéline), les structures des récepteurs FhuA (récepteur du ferrichrome), FecA (récepteur du dicitrate de Fer), FpvA (récepteur de la pyoverdine), et BtuB (récepteur de la vitamine B12),
Les récepteurs TonB-dépendants
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existent sous forme apo (libre du substrat) et holo (liée au substrat). Ces protéines possèdent une homologie de structure importante malgré une identité de séquence assez faible.
La résolution des structures a permis de mettre en évidence deux à trois domaines clairement distincts. La partie C-terminale de la protéine, se compose de 22 brins bêta antiparallèles, formant un tonneau bêta inséré dans la membrane externe. Les brins, inclinés à 45° (tilt) par rapport au plan de la membrane, sont connectés par des boucles de vingt-cinq résidus en moyenne du côté extracellulaire, et par des coudes de six résidus en moyenne du côté périplasmique. La hauteur approximative du tonneau est de 70 Å dans le cas de FepA et FhuA. La courbure droite et le tilt des feuillets produisent un pore ellipsoïdal dont la taille est environ 35 Å × 45 Å (Ferguson and Deisenhofer, 2002). Hormis quelques résidus conservés ici et là dans les brins et les boucles, les séquences des tonneaux sont peu conservées. Deux « couronnes » de résidus aromatiques situent les interfaces membrane/milieu extracellulaire et membrane/périplasme. Le domaine N-terminal, formant un « bouchon », est replié à l’intérieur du tonneau bêta. Il se compose d’hélices alpha et de brins bêta antiparallèles, dont certains définissent un feuillet, orienté sur un plan à 45 ° par rapport à celui de la membrane (Figure 6.A). Cette structure pourrait jouer un rôle dans le fonctionnement du récepteur. La conservation des résidus est plus importante pour le bouchon que pour le tonneau; il est possible d’identifier plusieurs éléments de séquence conservés dans le « bouchon » des récepteurs correspondant à des éléments structuraux conservés. Deux de ces séquences,
« IRG » et « PGV », pourraient jouer le rôle de guide lors du repliement du bouchon dans le tonneau. Les interactions qu’elles entretiennent avec des résidus du tonneau pourraient stabiliser l’ensemble et structurer correctement le site d’interaction du substrat (Buchanan et al., 1999), (Chimento et al., 2005). Dans le cas des récepteurs aux sidérophores ou à la vitamine B12, ce site est constitué, en ce qui concerne le bouchon, de 3 boucles apicales situées juste en aval des séquences « IRG » et « PGV » (Ferguson et al., 2000), (Ferguson et al., 2001).
Les récepteurs TonB-dépendants
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Figure 6 : Structure générale des récepteurs TonB-dépendants (Andrews et al., 2003).
A : Structure en ruban du récepteur BtuB. Les récepteurs TonB-dépendants possèdent un domaine C-terminal de 22 brins bêta antiparallèles associés en tonneau, et un domaine N-terminal (bouchon) inséré dans le tonneau. Les brins bêta sont connectés du côté périplasmique par des coudes et du côté extracellulaire par de longues et flexibles boucles.
B : Schéma en deux dimensions du domaine N-terminal des récepteurs TonB-dépendants. Les structures secondaires conservées sont indiquées (hélices alpha : cylindre, brins bêta : rectangles, boucles : traits simples). Les motifs conservés de fonction connue ou inconnue sont représentés en bleu. Les boucles apicales constituant le site de fixation du sidérophore sont indiquées en rouge. La switch hélice (FhuA, FecA) est indiquée en jaune.
Abbildung 6 : Struktur eines TonB-abhängigen Aussenmembranrezeptors (Andrews et al., 2003).
A : Bändermodell von BtuB, einem TBDT (TonB-dependent transporter). TonB-abhängige Transporter besitzen zwei Domänen, ein ß-barrel aus 22 antiparallelen Strängen (barrel), und eine N-terminale Domäne (hatch) die innerhalb des Barrels liegt. Die ß-Stränge des Barrels sind auf der periplasmatischen Seite durch kurze Turns, auf der extrazellulären durch lange flexible Loops verbunden.
B : Topologiediagramm der N-terminalen Domäne der TBDTs. Die konservierten Merkmale sind wie folgt gekennzeichnet:
ß-Stränge als Pfeile, Helices als Zylinder, Loops als dünne Linien. Konservierte Motive bisher unbekannter Funktion sind blau, Loops, die an der Substratbindung beteiligt sind, rot, und der Linker zwischen Hatch und Barrel ist schwarz dargestellt.
Die Switch-Helix, die nur in FecA und FhuA vorhanden ist, ist gelb gezeichnet.
Bacteria species Receptor name Natural substrat Structural domains E. coli FhuA Ferrichrome Plug / Barrel E. coli FepA Enterobactin Plug / Barrel P. aeruginosa FptA Pyochelin Plug / Barrel E. coli BtuB B12 vitamin Plug / Barrel
E. coli FecA Iron dicitrate regulatory domain / Plug / Barrel P. aeruginosa FpvA Pyoverdine regulatory domain / Plug / Barrel Tableau 1 : Domaines structuraux des récepteurs TonB-dépendants.
Les récepteurs TBDT sont constitués de deux à trois domaines structuraux. La fonction de transport est assurée par les domaines tonneau et bouchon, tandis que l’extension N terminale (domaine de régulation) n’est pas présente chez tous les récepteurs. Sa présence ou son absence n’est pas non plus dépendante du type de substrat transporté.
Tabelle 1 : Struktur der TonB-abhängigen Rezeptoren.
TonB-abhängige Rezeptoren bestehen aus zwei oder drei Domänen.
Das Beta-Barrel und der Plug bilden den Transporter. Die N-terminale Region, die der Regulation dient, findet sich nicht bei allen Rezeptoren. Ob eine solche Regulationsdomäne vorhanden ist, scheint nicht mit der Art des Transportierten Substrats zusammenzuhängen.
Les récepteurs TonB-dépendants
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Il existe dans la partie N-terminale du bouchon, une séquence consensus de faible conservation, ([DENF] [ST] [X] [LIVSTEQ] V {AGPN} [AGP]
[STANEQPK] » X est un résidu possédant une chaîne hydrophobe), appelée
« boîte TonB ». Cette séquence constitue une signature de la famille, des récepteurs TonB-dépendants. Les études génétiques ont montré son importance dans l’activité et le caractère TonB-dépendant des récepteurs. Elle régit l’interaction initiale entre le récepteur et la protéine TonB. La structure cristalline des récepteurs situe la boîte TonB du côté périplasmique. Cependant, la flexibilité importante de celle-ci ne permet pas de la résoudre sur toutes les structures cristallines.
Certains récepteurs présentent un domaine supplémentaire d’une centaine de résidus, situé en N-terminal de la boîte TonB. Ce domaine est impliqué dans la régulation de la transcription du gène de structure du récepteur et des gènes co-transcrits, par l’intermédiaire de la fixation sur le récepteur d’une molécule inductrice. FecA, le récepteur au dicitrate de fer, ou FpvA, le récepteur à la pyoverdine, possèdent une extension N-terminale régulatrice tandis que FepA, le récepteur à l’entérobactine, ou FhuA, le récepteur au ferrichrome, n’en possèdent pas (Tableau 1). La structure de l’extension de FecA de E. coli a été caractérisée par NMR. L’extension ne participe pas au transport du substrat proprement dit.
2.2.2 Les récepteurs aux sidérophores