Etudes structurales de Arf6 et Rab11a : deux petites protéines G impliquées dans la régulation du trafic intracellulaire

Structural studies on Arf6 and Rab11a : two small G proteins involved in the regulation of intracellular traffic

• Auteur / Autrice : Sebastiano Pasqualato
• Direction : Jacqueline Cherfils
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Résumé

Le transport de protéines et membranes entre les différents compartiments de la cellule est régulé par les petites protéines G des familles Arf et Rab. Comme les autres protéines G, elles basculent entre une forme inactive liée au GDP et une active liée au GTP, et fonctionnent ainsi comme des interrupteurs moléculaires. Les diverses protéines Arf et Rab sont spécifiquement associées à des voies cellulaires distinctes et se localisent sur des compartiments cellulaires spécifiques. Nous avons étudié les bases de ces spécificités d'action grâce à la résolution des cycles structuraux GDP/GTP de deux de ces protéines, Arf6 et Rab11a. Les fonctions cellulaires de Arf6 sont différentes de celles de Arf1, malgré le fait que ces deux protéines partagent 67% d'identité de séquence. Nous avons résolu la structure cristalline de la forme active de Arf6. De façon surprenante, alors que les formes inactives de Arf1 et Arf6 peuvent être distinguées en structure, leurs formes actives apparaissent remarquablement similaires. En particulier, leurs régions switch sont non seulement presque identiques en séquence, mais présentent aussi la même structure. Nous proposons que la spécificité d'action des protéines Arf soit basée sur des interactions (i) de leurs formes liées au GDP avec leurs partenaires spécifiques et/ou (ii) qui impliquent outre aux régions switch classiques (qui portent l'information sur le nucléotide lié) des régions spécifiques aux différentes protéines Arf. Les structures de Rab11a dans sa forme active et inactive montrent des particularités distinctives de cette protéine G. Rab11aGDP cristallise comme un dimère. Nous suggérons que ce dimère puisse exister in vivo, et représenter ainsi un pool associé à la membrane sous forme GDP. D'autre part, la structure de Rab11aGTP permet l'identification d'une surface formée de résidus hautement variables entre protéines Rab. Nous proposons que cette surface puisse être une région de reconnaissance spécifique des protéines Rab.

Proteins and membranes are transported between the different compartments of the cell through processes that are regulated by small GTP-binding proteins of the Arf and Rab families. Like other small G proteins, they function as molecular switches, cycling between an inactive GDP-bound form and an active GTP-bound form, which differ in structure in their 'switch regions'. The diverse Arf and Rab proteins are specifically associated with distinct cellular pathways and localize to precise cellular compartments. We have investigated the bases of these specificities of action by elucidating the GDP/GTP structural cycle of two of these proteins, Arf6 and Rab11a. We have solved the crystal structure of the active form of full length human Arf6, which displays cellular functions unrelated to that of well-characterized Arfl, despite sharing with it ~670% sequence identity. We round that, while Arfl and Arf6 GDP-bound forms are structurally recognizable, their active forms are remarkably similar in structure. Moreover, their switch regions are not only almost identical in sequence, but also fold in the same structure. Therefore, we propose that specificity of action of Arf proteins is based on (i) interactions of their GDP-bound forms with specific partners and/or (ii) interactions that involve both the classical switch regions (that provide information on the bound nucleotide) and Arf-specific regions. Rab11a is a member of a previously structurally uncharacterized Rab protein subfamily. The structures of human Rab11a in its inactive and active forms reveal features peculiar to this Rab subfamily. Rab11a-GDP crystallizes as a dimer. We suggest that this dimer could exist in vivo, and represent a membrane-associated GDP-bound pool. On the other hand Rab11a-GTP structure allows the identification of a surface shaped by residues highly variable between Rab proteins. We propose that this area could be a putative region for Rab protein specific recognition.