LE TRAFIC VÉSICULAIRE PDF

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Cours de biologie cellulaire par la professeure Gueirard...

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Mme. GUEIRARD

BIOLOGIE CELLULAIRE

14/10/16

L E T R A F IC V É S I C U L A IR E TABLE DES MATIÈRES I.

GÉNÉRALITÉS.......................................................................................1

II. MODALITÉS DU TRAFIC VÉSICULAIRE...............................................1 A. ÉTAPE N°1 : SÉQUENCE D’ADRESSAGE ET RECONNAISSANCE............2 B. ÉTAPE N°2 : FORMATION VÉSICULAIRE...................................................2 1. FORMATION DES VÉSICULES DE TYPE COP II.....................................3 2. FORMATION DES VÉSICULES DE TYPE COP I.......................................4 3. FORMATION DES VÉSICULES BORDÉES DE CLATHRINE....................5 C. ÉTAPES N°3 ET N°4 : TRANSPORT VÉSICULAIRE ET FUSION................6 1. LES PROTÉINES RAB...............................................................................6 2. LES PROTÉINES SNARE..........................................................................6 3. EXEMPLE DE FUSION VÉSICULAIRE : VÉSICULE DE TYPE COP II ET SACCULES DU RÉSEAU CIS-GOLGIEN.........................................................7

I.

GÉNÉRALITÉS Pour vivre, la cellule a besoin de se nourrir, d’échanger avec les cellules voisines ou de s’adapter à des changements éventuels dans son environnement. Pour cela, elle va chercher à renouveler les constituants de sa membrane, élément clé des échanges entre les cellules, et ce en permanence par exocytose ou par endocytose.

L’exocytose est une voie de sécrétion ou d’excrétion. Elle permet à la cellule de rejeter dans le milieu extérieur des constituants dont elle veut se débarrasser. L’endocytose est une voie cellulaire permettant d’internaliser des constituants de la membrane dans la cellule (par l’intermédiaire des endosomes) ou des nutriments (comme le cholestérol, les glucides, etc.). Pour se faire, la cellule met en place un système très organisé de transport des protéines dans, via des vésicules de transport, qui vont prendre en charge leur cargaison. Les flux correspondant à la voie de sécrétion ou d’excrétion partent du réticulum endoplasmique (RE), passent par l’appareil de Golgi (AdG) et finissent dans le milieu extracellulaire. À l’inverse, le processus d’endocytose permet l’entrée de molécules depuis la membrane plasmique, et utilise la voie endolysosomale.

II. UE2

MODALITÉS DU TRAFIC VÉSICULAIRE 1

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Une protéine transportée prend le nom de protéine cargo. Ces protéines peuvent être solubles ou membranaires. Le transport vésiculaire des protéines cargo se fait en quatre étapes. Tout d’abord, le chargement est sélectionné à partir d’un compartiment donneur, par le biais de sa séquence d’adressage. Ensuite, on assiste à la formation de vésicules, par bourgeonnement de la membrane biologique du compartiment donneur. Dans un troisième temps, le cytosquelette est mis à contribution pour transporter la vésicule issue du bourgeonnement de la membrane. Enfin, la vésicule est adressée à son compartiment accepteur, et sa membrane fusionnera avec celle de l’organite final, pour que la protéine y soit libérée. Les transports vésiculaires sont régis par certaines caractéristiques : 





Lors d’un transport vésiculaire, il n’y a pas de perte de contenu entre le compartiment donneur et le compartiment receveur. Les polypeptides transportés sont tous conservés. Il y a également conservation de l’intégralité de la membrane biologique de la vésicule, et ce tout au long des quatre étapes du transport. Enfin, l’orientation (à vrai dire la topologie) des lipides et des protéines situés dans les bicouches membranaires, topologie définie au cours de la synthèse dans le RE, est préservée pendant le transport dans les vésicules. Ainsi, une protéine dont l’extrémité C-terminale était cytosolique dans le RE verra son extrémité C-terminale cytosolique une fois intégrée à la membrane.

A. ÉTAPE N°1 : RECONNAISSANCE

SÉQUENCE

D’ADRESSAGE

ET

Au niveau des protéines cargo, on retrouve de courtes séquences peptidiques, que l’on appelle des séquences d’adressage, et qui permettent d’orienter la molécule vers un compartiment accepteur particulier de la cellule. Ainsi, une séquence KDEL (lysine – acide aspartique – acide glutamique – leucine) située au niveau d’une protéine permet l’adressage de celle-ci dans le RE. Autre exemple, l’étiquette Man 6-phosphate permet d’adresser spécifiquement certaines enzymes aux lysosomes. B.

ÉTAPE N°2 : FORMATION VÉSICULAIRE

La formation des vésicules du fait intervenir une GTPase. Une GTPase est une protéine qui se lie à une molécule de GTP ; c’est un commutateur moléculaire qui passe d’un état actif lié au GTP à un état inactif lié au GDP. Ce passage est régulé par deux classes de protéines : UE2

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Les facteurs d’échange des nucléotides guanyliques (GEF). Les protéines d’activation de la GTPase.

La famille de GTPase la plus étudiée est la famille des GTPases monomériques, et en particulier les GTPases impliquées dans le recrutement du manteau. Suite à l’activation de la GTPase, des protéines adaptatrices vont être impliquées dans le chargement de la cargaison. Enfin, des protéines cytosoliques vont être recrutées et se polymériser pour former un manteau, aboutissant au bourgeonnement de la vésicule. TYPE DE VÉSICULE Coatomères ou protéines du manteau.

GTPases

COP II

Sar1

COP I

Arf1

CLATHRINE

1.

Arf

ÉTAPE DU TRANSPORT VÉSICULAIRE Du RER vers le CGN. Transport antérograde Du CGN vers le RER ou du TGN vers le CGN. Transport rétrograde Du TGN vers les endosomes ou de l’AdG vers les lysosomes ou de la membrane plasmique vers les endosomes.

FORMATION DES VÉSICULES DE TYPE COP II

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L’assemblage de revêtement de type COP II implique une protéine globulaire, la Sar1. Cette protéine est inactive si elle est liée au GDP, le complexe Sar1-GDP est alors associée à du GDI (GDP Dissociating Inhibitor) dans le cytosol. Elle est au contraire activée si elle est liée à du GTP, le complexe Sar1-GTP étant alors lié à la membrane du RER. Les vésicules de type COP II sont associées au transport antérograde RER-CGN. La protéine Sar1 est activée par l’intermédiaire d’un GEF (Guanine nucleotide Exchange Factor), facteur nommé SEC 12, qui permet de lier le complexe Sar1-GDP à la membrane du RER. Le complexe Sar1GTP obtenu sert de point d’ancrage à la polymérisation des protéines du manteau, polymérisation ayant lieu en deux étapes. Dans un premier temps, un complexe de deux protéines, SEC23 et SEC24 est mis en place. Dans un second temps, un autre complexe protéique, fait de SEC13 et SEC31, s’accole au premier complexe. Ces protéines amorcent le phénomène de courbure de la membrane et permettent le début du bourgeonnement. Les protéines cargo vont alors être prise en charge, soit par interaction directe entre la séquence diacidique et la protéine Sec24 (pour les protéines membranaires), soit par la liaison à un récepteur transmembranaire lui-même relié au manteau (pour les protéines solubles). Le détachement de la vésicule se fait par l’intermédiaire d’une protéine globulaire nommée Rab présente dans la membrane biologique. La vésicule recouverte est alors délivrée dans le cytoplasme. Dans la membrane de la vésicule, on trouve également des protéines de type v-SNARE, qui jouent un rôle dans la reconnaissance de certains motifs protéiques. Une fois dans le cytoplasme, la vésicule va rapidement perdre ses protéines de revêtement, par hydrolyse de GTP réalisée par l’activité GTPasique de la protéine Sar1. Cela entraîne la libération des constituants des coatomères, du complexe Sar1-GDP et finalement le déshabillage de la vésicule.

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FORMATION DES VÉSICULES DE TYPE COP I

Le principe général de la formation de ces vésicules est le même que pour les vésicules de type II. La seule variation réside dans les changements de

constituants entre les deux. L’assemblage de revêtement de type COP I implique une autre protéine globulaire, l’ARF1. Cette protéine est inactive si elle est liée au GDP, le complexe Arf1-GDP est alors associée à du GDI dans le cytosol. Elle est au contraire activée si elle est liée à du GTP, le complexe Arf1-GTP étant alors lié à la membrane de l’AdG. Les vésicules de type COP I sont associées au transport rétrograde CGN-RER ou TGN-CGN. La protéine Arf1 est activée par l’intermédiaire d’un GEF, facteur différent de SEC 12, qui permet de lier le complexe Arf1-GDP à la membrane de l’AdG. Le complexe Arf1-GTP obtenu sert de point d’ancrage à la polymérisation des protéines du manteau, polymérisation ayant lieu en une seule étape, contrairement aux vésicules de type COP II. Un complexe oligomérique (d’au moins six protéines) préformé amorce le phénomène de courbure de la membrane et permet le début du bourgeonnement. Le détachement de la vésicule se fait par l’intermédiaire d’une protéine globulaire nommée Rab présente dans la membrane biologique. La vésicule recouverte est alors délivrée dans le cytoplasme. Dans la membrane de la

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vésicule, on trouve également des protéines de type v-SNARE, qui jouent un rôle dans la reconnaissance de certains motifs protéiques. Une fois dans le cytoplasme, elle va rapidement perdre ses protéines de revêtement, par hydrolyse de GTP réalisée par l’activité GTPasique de la protéine Arf1. Cela entraîne la libération des constituants des coatomères, du complexe Arf1-GDP et finalement le déshabillage de la vésicule.

3. FORMATION CLATHRINE

DES

VÉSICULES

BORDÉES

DE

Dans ce type de vésicules, le manteau est formé par des complexes de clathrine et de protéines d’adaptation, appelées adaptines. Les molécules de clathrine sont assemblées en triskélion. On trouve au sein de l’AdG différents types d’adaptines : AP1, AP2 (dans la membrane plasmique pour l’endocytose), AP3, etc. Lors de la formation des vésicules bordées de clathrine, il y a tout d’abord fixation des protéines cargo sur leurs récepteurs. L’assemblage du manteau résulte de la fixation des adaptines (activées par des protéines globulaires) sur ces récepteurs, de la fixation de la clathrine sur les adaptines, entraînant la formation d’une cage et initiant le phénomène de courbure et de bourgeonnement, et finalement de l’intervention de la dynamine, qui va permettre le détachement de la vésicule par hydrolyse de GTP. Une fois libérée dans le cytoplasme, la vésicule va être déshabillé par une HSP 10 qui hydrolyse de l’ATP, entraînant la libération de l’adaptine et de la clathrine hors de la vésicule, devenue lisse. Pour résumer ces différents types de transport, on peut dire que : 

U

Les manteaux de type COP II assurent les flux vésiculaires antérograde entre le RER et le CGN.

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Les manteaux de type COP I permettent le trafic vésiculaire intra-golgien, les flux vésiculaires rétrograde entre l’AdG et le RER et le phénomène de sécrétion constitutive. Les manteaux de clathrine (et les protéines d’adaptation) permettent quant à eux le transport du TGN aux endosomes, de la membrane plasmique aux endosomes et finalement le phénomène de sécrétion contrôlée.

C. ÉTAPES N°3 ET N°4 : TRANSPORT VÉSICULAIRE ET FUSION Le transport vésiculaire met à contribution les éléments du cytosquelette, notamment les microtubules, avec consommation d’énergie. Suite à cela, la vésicule transportée est accostée au compartiment accepteur. Une fois la vésicule accostée, elle va fusionner sa membrane avec celle du compartiment accepteur, libérant ainsi son contenu dans la lumière de ce-dernier. De nombreuses protéines jouent un rôle majeur dans les phénomènes d’accostage et de fusion : 



La famille des Rab, qui compte plus de 70 membres, et qui possède une activité GTPasique. Les Rab assurent la spécificité d’arrimage des vésicules. Les protéines SNARE, protéines de reconnaissances, intermédiaires immédiats de la fusion membranaires.

1.

LES PROTÉINES RAB

Elles dirigent la vésicule vers des points spécifiques de la membrane-cible correcte. Elles contribuent fortement à la spécificité du transport vésiculaire. Ce sont des GTPases monomériques, avec une structure hautement conservée entre les espèces (preuve de leur importance). Ces protéines Rab sont distribuées de manière très sélective au niveau du SEM. Elles peuvent donc servir de marqueurs spécifiques à certains compartiments. Par ailleurs, les Rab fonctionnent au niveau de la membrane biologique des vésicules ou du compartiment receveur, voire des deux. Les protéines Rab se fixent aux effecteurs Rab (comme les protéines d’attache) dans leur état lié au GTP, pour faciliter le transport vésiculaire, le processus d’arrimage et la fusion. Ces mêmes protéines Rab peuvent se lier à plusieurs effecteurs : on parle de processus coopératif certaines grandes zones spécialisées de membrane.

2.

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LES PROTÉINES SNARE

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Elles catalysent les réactions de fusion membranaire au cours du transport vésiculaire. Les protéines SNARE contrôlent l’adressage correct des vésicules : une vésicule mal adressée ne pourra pas fusionner avec la membrane biologique qu’elle essaie d’approcher. On distingue deux types de protéines SNARE :  

Les v-SNARE (Vesicular), qui sont situées du côté de la vésicule, sont constituées d’une chaine polypeptidique unique. Les t-SNARE (Target), qui sont situées du côté du compartiment accepteur, sont constituées de deux ou trois protéines.

Les v-SNARE et les t-SNARE ont des domaines hélicoïdaux caractéristiques, et forment en s’enroulant un complexe trans-SNARE. Le complexe trans-SNARE catalyse la fusion membranaire, en coopération avec les effecteurs Rab. Une fois que la fusion a eu lieu, les complexes SNARE se dissocient et vont pouvoir servir d’intermédiaire dans le transport d’autres vésicules. La dissociation du complexe trans-SNARE fait intervenir une protéine NSF, qui catalyse le processus de séparation des SNARE en présence d’ATP.

3. EXEMPLE DE FUSION VÉSICULAIRE : VÉSICULE DE TYPE COP II ET SACCULES DU RÉSEAU CIS-GOLGIEN Une protéine globulaire membranaire de la famille Rab, active quand elle est liée au GTP, entraîne le recrutement de facteurs cytosoliques d’arrimage (protéines d’attache). Ces protéines d’attache sont, dans le cas étudié, de la giantine et de la p115 au niveau de la membrane biologique des vésicules, et de la p65 et de la p130 au niveau de la membrane du CGN. La reconnaissance entre vésicule et compartiment accepteur se fait par l’interaction des facteurs d’arrimage (p130 et p115), entrainant un rapprochement entre la vésicule et la membrane cible. Les protéines SNARE de la vésicule et de la membrane cible interagissent également, permettant la fusion de la vésicule avec la membrane biologique cible. Cette fusion requiert de l’énergie obtenue par hydrolyse d’ATP et de GTP. Le polypeptide contenu dans la vésicule est libéré et les éléments de la vésicule sont recyclés..

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