Traffic vésiculaire et communication de la cellule avec son environnement

Localisation des protéines

→ Extracellulaire

• Membrane plasmique

• Sécrétée (soluble)

→ Intracellulaire

• Noyau

• Cytosol

• Organite

Pourquoi compartimenter une cellule ?

→ Isoler des fonctions (lysosome)

→ Optimiser des réactions (chaîne respiratoire)

→ Réguler (transcription)

→ …

De quoi se constitue le système endomembranaire ?

Enveloppe nucléaire (membrane externe), RE, appareil de Golgi, lysosomes, endosomes et vésicules → en continuité

Comment communique les différents compartiments du système endomembranaire ?

Les différents compartiments communiquent entre eux au moyen de vésicules → Continuité fonctionnelle

Vésicule définition

Structure cellulaire entourée d’une membrane et permettant le transport de molécules à l’intérieur de la cellule

Les différents types de transport

→ le transport au travers d’un pore nucléaire

→ le transport transmembranaire (au travers d’une membrane) diffusion simple, canal, transporteur

→ le transport au moyen d’une vésicule

Vue d’ensemble du transport vésiculaire

① Synthèse des protéines au niveau du REG

② transport séquentiel RE → Golgi → surface ou lysosome

③ A la surface :

• Exocytose constitutive (permanente)

• Exocytose régulée (en réponse à un stimulus)

④ Des protéines :

• Restent liées à la membrane

• Sont libérées dans le milieu extérieur (protéines solubles)

⑤ Endocytose

• Transport de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule

Voies de transport vésiculaire

1. Voie sécrétoire, antérograde : RE → membrane 

2. Voie endocytaire : membrane → lysosome

3.  Voie de retour, rétrograde :

• Golgi → RE

• endosome → Golgi

• endosome → membrane

Fonctions du transport vésiculaire

# le transport des protéines et des lipides d’un compartiment cellulaire à l’autre

# la sécrétion de molécules produites par la cellule

# la voie endo-lysosomale permet le tri des composants cellulaires, leur recyclage à la membrane ou leur dégradation par les lysosomes

# la dynamique des membranes : perte d’une portion de membrane pour le compartiment donneur et gain d’une portion de membrane pour le compartiment accepteur

Quels sont le 3 grandes étapes du transport vésiculaire ?

→ Formation de la vésicule par bourgeonnement à partir de la membrane du compartiment donneur 

→ Transport dans le cytosol de la vésicule le long du cytosquelette

→ Fusion de la vésicule avec la membrane du compartiment receveur/ accepteur/ cible

Implication des vésicules dans le transport de protéines

→ Transport de protéines solubles du lumen du compartiment donneur 

→ Transport de protéines membranaire et de fragments du compartiment donneur

Que permet ce transport vésiculaire ?

Le maintien de l’asymétrie des membrane

Que possèdent les vésicules ?

Que permettent-ils ?

→ Des manteaux protéiques

→ Spécificité du transport (reconnaissance de la cargaison…)

→ Contrôle indépendant de chaque étape

Quels sont les différents manteaux vésiculaires ?

• les vésicules COPII (RE → Golgi), trafic antérograde 

• les vésicules COPI (Golgi → RE), trafic rétrograde

•  les vésicules à clathrine (Golgi ou membrane plasmique → endosomes tardifs)

Les vésicules COPII

→ Tétramère Sec13/Sec31

→ Polymérisation spontanée pour former une cage 

Les vésicules COP I

→ 7 sous-unités = heptamère

→ Triskélion alphabêta’

→ Polymérisation spontanée pour former une cage

Les vésicules à Clathrine

→ Triskélion (auto-assembalge) : 3 chaînes lourdes associées à 3 chaînes légères

→ polymérisations spontanée en cage

Qu’implique la formation d’une vésicule ?

→ La sélection des protéines transportées (cargaison): solubles ou membranaire

→ Le bourgeonnement de la membrane en vésicule sous l’action d’1 manteau protéique = déformation locale de la membrane du compartiment donneur

Que se passe t-il au cours du transport d’une molécule ?

→ désassemblage du manteau (déshabillage)

→ Un déplacement de la vésicule le long des filaments du cytosquelette (microtubules, microfilaments)

Quel protéines motrices sont impliqués dans le transport de vésicules ?

→ Kinésines et dynéines associés aux MT

→ Myosines associées aux microfilaments

Protéines SNAREs

• Rôle dans le guidage des vésicules

• v-SNARE → à la surface de la vésicule

• t-SNARE → à la surface du compartiment cible 

Que nécessite l’amarrage de la vésicule à son compartiment cible ?

→ Une interaction spécifique entre les protéines v-SNARE et t-SNARE → formation du complexe SNARE

→ Fusion entre les membranes de la vésicule et du compartiment cible

→ La cargaison protéique (soluble ou membranaire) rejoint le compartiment cible (membrane ou lumen)

Bilan des étapes du transport vésiculaire

(1) Bourgeonnement (budding) de la membrane donneuse induit par l’assemblage du manteau et sélection des protéines transportées.

(2) Désassemblage du manteau protéique et transport de la vésicule le long du cytosquelette à l’aide de protéines motrices.

(3) Amarrage de la vésicule de transport à la membrane cible grâce aux protéines SNAREs.

(4) Fusion de la vésicule avec la membrane cible.

Transport antérograde

Du RE vers le cis-Golgi par les vésicules COPII

Le cycle des GTPases

• GTPase associée au GTP = active → GTPase associé à la vésicule/manteau

• Interactions avec des partenaires (effecteurs)

• Interaction avec GAP qui stimule l’activité de GTPase qui va hydrolyser le GTP et libérer Pi

• GTPase associée au GDP = inactive → GTPase libre (non associée à la vésicule/manteau)

• Interaction avec GEF qui échange son GTP avec le GDP de GTPase

GEF

Guanine nucleotide exchange factor

GAP

GTPase activating protein

Formation des vésicules COPII au niveau du RE

1. Initiation du bourgeonnement (et de l’assemblage du manteau COPII)

2. Assemblage du manteau

Activation et liaison de Sar1 à la membrane

(1) interaction Sar1/Sec12 : échange GDP/GTP

(2) changement de conformation de Sar1

(3) ancrage de Sar1 à la membrane

(4) l’ancrage de Sar1 initie la courbure de la membrane et déclenche le recrutement du manteau interne (Sec23/Sec24)

GTPase COPII

Sar1

→ N’utilise ni de GDI ni de GDF

GEF COPII

Sec12

GAP COPII

Sec23

Assemblage du manteau

Sar1 fixée à la membrane recrute les composants du manteau COPII

Stabilisation de la déformation locale de la membrane du compartiment donneur (courbure) = formation d’un bourgeon

1. Sec12 recrute Sar1 à la membrane du RE et l’active

2. Sar1 recrute le dimère Sec23/Sec24 (manteau interne de COPII) Recrutement de la cargaison par Sec24

3. Recrutement du dimère Sec13/Sec31 (manteau externe de COPII)

4. Sec23 stimule l’hydrolyse du GTP → désassemblage du manteau

Recrutement des protéines cargo dans le RE

Sélection de la cargaison par le manteau COPII (Sec24):

→ protéines membranaires (cargo): liaison du manteau à une séquence signal de sortie du RE dans la partie cytosolique de la protéine membranaire à transporter

→ protéines solubles (cargo): liaison des protéines à transporter au domaine luminal de protéines membranaires qui possèdent une séquence signal de sortie du RE

→ capture passive et accidentelle d’une partie des protéines solubles du RE

Comment se fait le désassemblage du manteau ?

Par hydrolyse du GTP : Après détachement de la vésicule (manteau terminé) Hydrolyse du GTP par l’activité GTPase de Sar1 activée par Sec23

= inactivation de Sar1

Que déclenche l’hydrolyse du GTP ?

→ le décrochage de Sar1-GDP de la membrane de la vésicule → donc, le désassemblage du manteau COPII

Qu’entraîne le désassemblage du manteau pour les protéines ?

Les protéines nécessaire à la fusion de la vésicule avec la mb du compartiment cible sont exposés (protéines v-SNARE et Rab)

Rab

→ GTPase (petite protéine G)

→ Ras-associated binding

→ Spécifique d’un transport entre 2 compartiments = participe à la spécificité d’adressage des vésicules

Comment fonctionne la reconnaissance entre la vésicule de transport et le compartiment receveur ?

Reconnaissance spécifique : 

→ les vésicules possèdent des marqueurs de surface spécifiques de leur origine (Rab, v-SNARE)

→ la membrane du compartiment receveur possède des récepteurs complémentaires (effecteur de Rab, t-SNARE)

Quels interactions dans le ciblage du compartiment cible ?

Rab ←→ effecteur de Rab

v-SNARE ←→ t-SNARE = formation du complexe SNARE

De quoi sont spécifique Rab et SNARE ?

Les protéines Rab et SNARE sont spécifiques d’un transport entre 2 compartiments

RE → Golgi

Étapes du ciblage du compartiment cible

(1) d’abord l’attachement (tethering): Interaction entre une protéine Rab-GTP sur la vésicule et une protéine d’attachement (effecteur Rab) spécifique sur la membrane du compartiment cible.

(2) puis l’amarrage/arrimage (docking) :Interaction entre v-SNARE et t-SNARE = verrouille l’amarrage.

Contrôle du fonctionnement des protéines Rab

→ GDI

→ GDF

→ GEF

→ GAP

GDI

→ GDP dissociation inhibitor

→ Association de GDI à la protéine Rab-GDP = Rab cytosolique

→ Masque ancre lipidique (= empêche localisation membranaire de Rab) et empêche dissociation du GDP

GDF

→ GDI displacement factor

→ Recrute le complexe Rab-GDI au niveau de la membrane et conduit à la libération de GDI dans le cytosol

GEF

→ Guanine nucleotide exchange factor

→ Induction du remplacement du GDP par du GTP = activation de la protéine Rab

GAP

→ GTPase-activating protein

→ Hydrolyse du GTP = inactivation de la protéine Rab

Rôle des protéines Rab dans l’attachement spécifique des vésicules au compartiment cible (Golgi)

(1) Rab-GDP cytosolique associé à GDI (ancre lipidique masquée)

(2) Recrutement à la membrane donneuse par GDF

(3) Remplacement du GDP par du GTP, Rab-GTP activée

(4) Bourgeonnement de la vésicule

(5) Interaction Rab-GTP avec une protéine d’attachement spécifique (effecteur)

Fusion de la vésicule

(6) Hydrolyse du GTP, Rab-GDP inactivée

(7) Association à GDI = Rab-GDP sous forme cytosolique

Géranyl-géranyl

= modification post-traductionnelle d’une protéine par un lipide (permet l’ancrage de la protéine à la membrane)

MVB

Corps multivésiculaire (endosome tardif)

EE

Early endosome

LE

Late endosome

Amarrage des vésicules au compartiment cible

• Interaction spécifique entre v-SNARE et t-SNARE

• Fonctionne comme une fermeture éclair (zippering)

• Les régions cytosoliques de SNAREs complémentaires s’enroulent les unes autour des autres → Rapprochement des membranes

Dissociation des complexes SNAREs

→ Liaison du NSF au complexe SNARE → hydrolyse de l’ATP → dissociation du complexe SNARE

→ réutilisation des v-SNARE et t-SNARE

NSF

→ N-ethylmaleimide-sensitive factor

→ alkylation des groupements thiols des Cys

→ Modification d’une Cys voisine du site ATPase du NSF

Les différentes familles de SNAREs

→ v-SNARE (R-SNARE)

• Synaptobrévine (ou VAMP2)

• Syntaxine-1

→ t-SNARE (Q-SNARE)

• SNAP-25

Pourquoi les transport rétrograde existe ?

Pour récupérer les protéines du RE qui se sont échappées vers le Golgi (capture passive au cours du bourgeonnement du RE pendant le transport RE → Golgi)

Transport rétrograde

Du cis-Golgi vers le RE par les vésicules COPI

Arf

→ Uniquement GEF et Gap comme Sar1 (pas de GDI et GDF)

→ GTPase

→ = initiation de la formation du manteau COPI

ERGIC

ER-Golgi Intermediate Compartment

ERD

→ Endoplasmic reticulum Receptor Defective

→ Fait la navette entre RE et Golgi

Rétention des protéines du RE

→ La séquence signal de rétention KDEL est présente dans la plupart des protéines solubles du RE

→ Elle est reconnue par le récepteur membranaire ERD du Golgi qui possède le signal de rétention KKXX reconnu par le manteau COPI.

Rôle du gradient de pH dans l’assemblage du manteau COPI

Il fait varier la conformation des protéines ce qui explique la dissociation protéine-récepteur

Bilan, transport vésiculaire entre RE et appareil de Golgi

→ Transport antérograde du RE vers le Golgi

• à l’intérieur de vésicules COPII 

• des protéines nouvellement synthétisées par le REG

→ Transport rétrograde du Golgi vers le RE

•  à l’intérieur de vésicules COPI

•  des protéines mal adressées et portant le motif KDEL spécifique du RE

Que peut posséder une protéine ?

→ signal d’adressage (ex: M6P) de la protéine vers le compartiment cible

→ signal de rétention (ex : KDEL) de la protéine dans le compartiment donneur

Rôle appareil de Golgi 

Maturation (glycosylation) et triage des protéines

Quels sont les deux modèles de transport dans l’appareil de Golgi ?

→ Transport vésiculaire

→ Maturation cisternale

Probablement une combinaison entre les 2 modèles…

Transport vésiculaire appareil de Golgi

La structure de l’appareil de Golgi est statique. Le transport des protéines entre les saccules s’effectue par l’intermédiaire de vésicules dans les 2 sens.

Maturation cisternale dans l’appareil de Golgi

La structure de l’appareil de Golgi est dynamique. De nouveaux saccules (citernes) se forment en permanence à partir des vésicules en provenance du RE.

Chaque saccule migre à travers l’empilement vers la face trans.

Les protéines résidentes du Golgi peuvent revenir au saccule précédent dans des vésicules COPI.

Où vont les protéines une fois sortie de l’appareil de Golgi ?

- vers la membrane plasmique (sécrétion par exocytose constitutive ou régulée)

- vers les endosomes ou les lysosomes

→Golgi = carrefour

Endosome

Compartiment cellulaire issu de l’endocytose (endosome précoce). L’endosome précoce se transforme successivement en endosome tardif puis en lysosome suite à sa fusion avec des vésicules en provenance de l’appareil de Golgi.

→ Un tri entre la membrane plasmique, l’appareil de Golgi et le lysosome

Exocytose

Fusion d'une vésicule intracellulaire (vésicule de sécrétion) avec la membrane plasmique

Libération de contenu intracellulaire à l’extérieur de la cellule

Gain d’une portion de membrane plasmique

Que permet les mécanisme endocytose-exocytose ?

- homéostasie membranaire

- mécanismes d’échange entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule par l’intermédiaire de vésicules

Quels sont les différents types d’exocytose ?

→ Exocytose constitutive

→ Exocytose régulée

Exocytose constitutive

→ permanente

→ dans toutes les cellules.

→ renouvellement des membranes (protéines et lipides) et de la matrice extracellulaire

Exocytose régulée

→ dans les cellules sécrétrices.

→ induite par un signal externe.

Exemples d’exocytose régulée

→ Sécrétion de l’insuline (hormone protéique)

→Libération d’un neurotransmetteur : l’acétylcholine

Sécrétion de l’insuline (hormone protéique)

→ Sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas après une hausse de la glycémie

→ Le Ca2+ déclenche la fermeture du complexe SNARE qui permet le rapprochement puis la fusion de la vésicule avec la membrane plasmique

Libération d’un neurotransmetteur : l’acétylcholine

Mécanisme d’exocytose au niveau d'une synapse neuromusculaire

La toxine botulique bloque l’exocytose de l’acétylchloline suite à la protéolyse des SNAREs

Le Ca2+ déclenche la fermeture du complexe SNARE qui permet le rapprochement puis la fusion de la vésicule avec la membrane plasmique

Endocytose

Absorption de contenu extracellulaire (transport vésiculaire vers l’intérieur de la cellule)

Perte d’une portion de membrane plasmique

Rôle dans le contrôle des voies de signalisation

Quels sont différents types d’endocytose ?

→ L’endocytose dépendante de la clathrine

→ L’endocytose dépendante des cavéoles

L’endocytose dépendante de la clathrine

Voie d’internalisation :

• de substances extracellulaires (métabolites…) 

• de nombreux récepteurs transmembranaires 

A côté de la voie de l’endocytose classique dépendante de la clathrine, il existe d’autres voies d’endocytose indépendantes de la clathrine.

Étapes de formation des vésicules recouvertes de clathrine

→ Assemblage du manteau et sélection du cargo

→ Formation du bourgeonnement 

→ Formation de vésicules

→ Découvrement

Comment se forment ces vésicules recouvertes de clathrine ?

• GTPase : Arf-GTP (petite protéine G) → initiation de la formation du manteau à clathrine (recrutement des adaptines AP)

• Adaptines (AP-1 ou AP-2) se lient à la clathrine et aux protéines cargo (protéine adaptatrice) Elles participent à l’assemblage du manteau et à la sélection de la cargaison. Adaptine différente selon la localisation de la vésicule

• Dynamine (GTPase) pincement de la membrane plasmique (libération de la vésicule) → détachement (fission)

Désassemblage du manteau de clathrine après détachement de la vésicule.

Arf

ADP ribosylation factor

AP

Adaptor protein

Comment agit la dynamine dans la séparation d’une vésicule recouverte de clathrine ?

Des molécules de dynamine s’assemblent en spirale (polymère) autour du cou de la vésicule en formation. L’hydrolyse du GTP conduit à un changement de conformation de la dynamine qui entraîne la fission (détachement) de la vésicule.

Quel est le devenir d’une vésicule d’endocytose ?

(1) est recyclée à la surface de la cellule 

(2) est dégradée par le lysosome

(3) est transportée jusqu’à un autre bord de la cellule

Endocytose du LDL étapes

- Formation du manteau de clathrine ①

- Détachement de la membrane plasmique de vésicule recouverte grâce à la dynamine ②

- Désassemblage du manteau de clathrine ③

- Migration de la vésicule d’endocytose le plus souvent vers un endosome précoce ④

- Séparation du LDL de son récepteur à cause de l’acidité de l’endosome ⑤

- Suite à des fusions successives de vésicules d’endocytose, l’endosome précoce devient progressivement un endosome tardif, puis un lysosome après la fusion avec un lysosome primaire (vésicule issue du Golgi) ⑥

Calvéoles

→ Invagination (repliement vers l’intérieur) de la membrane plasmique

→ Forme particulière de radeaux lipidiques (lipid rafts)

Fonctions des cavéoles

→ Protection de la membrane cellulaire (déformation suite à un étirement), homéostasie de la tension membranaire

→ Plateforme de signalisation cellulaire (riche en récepteurs)

→ Endocytose 

Radeaux lipidiques

= domaines de la membrane plasmique plus rigides, riches en cholestérol, sphingolipides et protéines membranaires

De quoi dépend la formation du manteau des calvéoles ?

Cavéolines et cavines + dynamine pour le détachement (fission) de la vésicule

Lysosome

Digestion enzymatique à pH acide

→ Homéostasie cellulaire / renouvellement cellulaire

→ Recyclage des macromolécules et des organites cellulaires

→ Dégradation des macromolécules extracellulaires

→Défense de l’organisme (macrophages)

→ Destruction des agents pathogènes (phagocytose)

Que dégrade le lysosome ?

Le matériel extracellulaire et cytoplasmique

Dégradation de matériel extracellulaire

- Endocytose (absorption de molécules spécifiques reconnues par un récepteur)

- Phagocytose (absorption d’une grosse particule, la membrane entoure la particule)

- Macropinocytose (absorption non spécifique de liquide extracellulaire contenant des molécules dissoutes)

Dégradation de matériel cytoplasmique

Autophagie (renouvellement de la cellule, carence, etc.) = auto-digestion contrôlée de la cellule

Que permet le gradient de pH dans le cytosol ?

Permet le tri des protéines

Comment sont formés les lysosomes ?

À partir d’endosomes tardifs

Qu’est-ce qui permet le transport des protéines de l’appareil de Golgi vers les lysosomes ?

Le mannose 6-phosphate (adressage de l’endosome tardif)