Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 PDF

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Cours Les compartiments cellulaires Le transport...

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Cours Les compartiments cellulaires Le transport à travers deux membranes 1 Les mitochondries 1.1. Généralités: L’importation des protéines mitochondriales 1.2. La maturation des protéines mitochondriales après leur importation 2 Les chloroplastes 2.1. L’importation des protéines chloroplastiques 3. Le Réticulum Endoplasmique (RE) 3.1. Les deux types de RE 3.2. La formation des lipides dans le REL a. La formation et distribution des membranes b. Les membranes : du RE au peroxysome 4. Le peroxysome 4.1. Deux façons de former et faire croître un peroxysome 4.2. Généralités sur le proxysome Le principe du ciblage des protéines Les organites diffèrent dans le nombre de membranes qui les entourent et cela impacte sur le type de mécanisme de passage des protéines vers ces organites. Passage par un pore Passe 2 membranes Passe 1 membrane Trafic vésiculaire (voie de sécrétion et endocytose) Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed Le transport à travers deux membranes Les mitochondries et les chloroplastes possèdent plus d’une membrane et ne possèdent pas de pores suffisamment grands pour faire passer des protéines complètes dans le forme tridimensionnelle (structure tertiaire)  Il faut donc garder les protéines dans leur structure primaire (la structure-II en hélice α peut passer aussi) ou dérouler les protéines pour reprendre la structure primaire/ hélice α.  Il faut une étiquette, un récepteur (ou plusieurs) , de l’énergie 1 Les mitochondries 1.1. Généralités: L’importation des protéines mitochondriales Dans les mitochondries, un des signaux les plus communs est une série d’acides aminés située en N-terminal du précurseur (future protéine mitochondriale) formant une hélice α amphiphile avec une moitié hydrophobe et une autre moitié chargée positivement. La partie hydrophobe sera reconnue par un récepteur situé sur la membrane externe de la mitochondrie. Hydrophobe Chargé (+) 1 Les mitochondries TOM = Transport Outer Membrane 1.1. Généralités: L’importation des protéines mitochondriales TIM = Transport Inner Membrane Les récepteurs et les deux translocateurs opèrent ensemble sous forme de complexes : TOM (membrane externe) et TIM (membrane interne). o Le récepteur fait partie de TOM et passe le peptide signal au translocateur (TOM40). o Les protéines entrent lorsque les chaperonnes Hsp70 cytosoliques, qui conservaient les protéines dépliées, hydrolysent l’ATP (énergie) et se dissocient. o Dans l’espace intermembranaire, TOM transfert le signal à TIM, qui fait passer les protéines dans la matrice (avec l’aide des chaperonnes mitochondriales, Hsp70). o Le signal est coupé (ne fait pas partie de la protéine finale). 1 Les mitochondries 1.1. Généralités: L’importation des protéines mitochondriales Pour entrer, la majorité des protéines vont passer par le complexe TOM. Une fois dans l’espace intermembranaire, ce qui va se passer par la suite va dépendre des différents signaux internes.  Schmidt et al, 2010 Mim = mitochondrial import PAM = translocase associated motor MPP = mitochondrial processing peptidase MIA = mitochondrial intermembrane assembly SAM = sorting and assembly machinery OXA = oxidase assembly machinery 1 Les mitochondries 1.1. Généralités: L’importation des protéines mitochondriales Pour entrer, la majorité des protéines vont passer par le complexe TOM. Une fois dans l’espace intermembranaire, ce qui va se passer par la suite va dépendre des différents signaux internes.  Exemple: Par exemple, voici la voie que prendra une protéine destinée à la membrane externe de la mitochondrie (une porine ou le translocateur TOM40) Précurseur traduit dans le cytoplasme. Passe par le complexe TOM. Chaperonnes dans l’espace intermembranaire. Insertion dans la membrane grâce à SAM et au signal interne (hydrophobe). 1 Les mitochondries 1.2. La maturation des protéines mitochondriales après leur importation Dans la plupart des cas, le peptide signal (hélice α en N-terminal) est coupé par des peptidases après l’incorporation de la protéine à l’endroit désiré. S’il existe des signaux internes, ces derniers ne sont pas coupés 1 Les mitochondries 1.2. La maturation des protéines mitochondriales après leur importation Certaines protéines sont effectivement apportées au TOM par les hsp70 cytosoliques (b), mais d’autres ont une configuration linéaire sans aide des chaperonnes (a). Dans le (a), l’hélice-α amphiphile (préséquence) est reconnue par les sous-unités TOM20-22. Dans le (b), l’hélice-α est absente et c’est la hsp70 qui est reconnue par la sous-unité TOM70 (la protéine « precursor » peut être reconnue également par TOM70). L’utilisation de l’énergie pour l’incorporation membranaire est moins bien connue. Probablement, il s’agit d’une façon d’utiliser le potentiel membranaire ou directement le transfert d’énergie des protéines impliquées dans la chaîne de transport des électrons (complexes IV et III).  2 Les chloroplastes TOC = Transport Outer Chloroplaste 2.1. L’importation des protéines chloroplastiques TIC = Transport Inner Chloroplaste L’incorporation des protéines dans les chloroplastes fonctionne selon les mêmes principes que celle dans les mitochondries : même complexité, mais les protéines (récepteurs, translocateurs, chaperonnes, etc.) sont différentes.  Les protéines principales sont les complexes de translocation TOC (membrane externe) et TIC (membrane interne). Dans le chloroplaste, il y a une membrane supplémentaire (la 3e, celle des thylakoïdes). Il faut donc un signal supplémentaire pour entrer dans ce troisième compartiment. Molecular biology of the cell. 4th Éd 3. Le Réticulum Endoplasmique (RE) 3.1. Les deux types de RE Lorsqu’un échantillon de RE est centrifugé dans un gradient de densité, il se sépare en deux types de microsomes (bouts de RE qui se referment) : le REL (lisse) et le RER (rugueux, granuleux). L’idée générale: une sédimentation en accélérée dans un tube contenant un gradient du sel ou du sucre (concentration augmente vers le bas du tube). Les particules de l’échantillon ‘descendent’ dans le tube jusqu’à l’endroit où leur densité équivaut celle du soluté (sel/sucre). 3. Le Réticulum Endoplasmique (RE) 3.1. Les deux types de RE o Le REL s’occupe de la synthèse des lipides (production des membranes) o Le RER s’occupe des protéines principalement destinées à la sécrétion (ou dans la voie de sécrétion). 3. Le Réticulum Endoplasmique (RE) 3.2. La formation des lipides dans le REL a. La formation et distribution des membranes L’enzyme acyl-transférase est située dans la membrane du REL, mais son site actif se retrouve dans le cytoplasme. Elle construit les phospholipides à partir de deux acides gras et d’un glycérol phosphaté. Les nouveaux phospholipides s’ajoutent au feuillet externe de la membrane du REL. Par la suite, les enzymes scramblases (un type de flippase) égalisent les 2 couches membranaires. 3. Le Réticulum Endoplasmique (RE) 3.2. La formation des lipides dans le REL a. La formation et distribution des membranes Après la formation dans le REL, les phospholipides sont envoyés par transport vésiculaire à la plupart des organites membranaires. Une fois rendus à la membrane plasmique, les nouveaux lipides sont réarrangés par les flippases. Ces enzymes hydrolysent l’ATP pour générer une distribution asymétrique des lipides sur les deux couches de la membrane. 3. Le Réticulum Endoplasmique (RE) 3.2. La formation des lipides dans le REL b. Les membranes : du RE au peroxysome o Le RER produit des protéines membranaires appelées peroxines, qui migrent vers le REL. Ce dernier donne, par bourgeonnement, une vésicule précurseur. o Les autres protéines du peroxysome sont synthétisées dans le cytoplasme et incorporées dans l’organite par les peroxines de façon post-traductionnelle (signal SKL en C-terminal). o Les peroxysomes peuvent croître et se diviser par eux-mêmes. Les fonctions du peroxysome : o Oxydation des molécules organiques o Neutralisation du H2O2  4. Le peroxysome Pex3 = étiquette d’une vésicule destinée aux 4.1. Deux façons de former et faire croître un peroxysome peroxysomes et permet l’incorporation des protéines membranaires (avec pex 19) o La synthèse de novo par la fusion hétérotypique de 2 vésicules de RE (V1 et V2) suivie par l’incorporation Lent post-traductionnelle des protéines (mauve) o La croissance – fission des peroxysomes existants: réception des vésicules V3 et incorporation post- traductionnelle des protéines. Lorsque le peroxysome Rapide est volumineux, la Pex 11 permet l’allongement, le DRP-interacting protein fait la constriction membranaire alors que le DRP (dynamin-related protein) s’occupent de la coupure finale (bleu) *PMP = peroxysome membrane proteins Smith & Aitchison( 2013) 4. Le peroxysome 4.1. Deux façons de former et faire croître un peroxysome o Pex3 = étiquette d’une vésicule destinée aux peroxysomes 1 o PMPs (blue-rose) = complexe de translocation (ces protéines sont fabriquées par le RER – incorporation co-traductionnelle) Fusion hétérotypique (V1+V2) permet de construire les complexes de translocation fonctionnels. La fusion est possible grâce à Pex1-6. 2 Croissance du peroxysome par 3 ajout de V3 (ajout de membranes) Croissance du peroxysome par incorporation post traductionnelle 4 des protéines. Les transporteurs solubles Pex5 amènent la cargaison au translocateur et se collent dessus  Le Pex5 devient membranaire. Il va être détaché rapidement en hydrolysant l’ATP de sorte qu’il y a toujours beaucoup de Pex5 solubles et peu de Pex5 membranaires (gradient! = énergie) 4. Le peroxysome 4.2. Généralités sur le proxysome o La fonction des peroxysomes dépend des protéines qui y sont importées et peut changer en fonction du type cellulaire et de l’environnement cellulaire o Différents types de peroxysomes peuvent même coexister dans la même cellule. o La forme sphérique du peroxysome peut s’allonger et devenir réticulaire selon les nécessités métaboliques. o Ils peuvent partager certaines fonctions avec d’autres organites (possibilité de communication). Smith & Aitchison( 2013) 4. Le peroxysome 4.3 Le métabolisme des peroxysomes Saccharomyces cerevisiae (levure) Normalement le taux de multiplication des peroxysomes est Milieu sans acides gras Milieu avec acides gras similaire au cycle cellulaire. Par contre, lorsqu’ils sont demandés pour leur rôle métabolique, ils grossissent et se multiplient davantage.  Il y a plus de peroxysomes lorsqu’il y a plus d’acides gras dans son milieu (activité métabolique modifiée).  Le contrôle se fait au niveau transcriptionnel en réponse aux conditions environnementales. Hansenula polymorpha (levure) Le même peroxysome d’origine peut se subdiviser en 2 peroxysomes ayant des activités métaboliques différentes.  Ici, le peroxysome séquestre une enzyme spécifique dans un endroit spécifique (partie foncée)  Éventuellement, cette section formera un nouveau peroxysome qui aura l’activité spécifique de l’enzyme séquestrée. 4. Le peroxysome 4.3 Le métabolisme des peroxysomes Les lucioles produisent de la bioluminescence. La réaction chimique qui produit de la lumière se fait dans les peroxysomes des cellules de l’abdomen. 5. Les membranes : du RE aux mitochondries et chloroplastes Le trafic vésiculaire (RE → Golgi → Vésicules) ne communique pas directement avec les mitochondries et les chloroplastes. Ces organites reçoivent leurs nouveaux lipides grâce aux protéines d’échange des phospholipides (PEPs), qui font le lien entre le RE et les mitochondries et chloroplastes. Schmidt et al, 2010 6. Les protéines dans le RER. a. L’entrée des protéines dans le RER À part celles du peroxysome, les protéines destinées à des organites, à une membrane doivent passer par le RER et la voie du trafic vésiculaire. L’entrée des protéines dans le RER se fait de façon co-traductionnelle, et l’énergie nécessaire au transfert vient du ribosome. o Le peptide signal est une zone hydrophobe de 20 acides aminés située en N-terminal, nommée PSIT(Peptide Signal d’Initiation de Transfert). o Le signal peut être suivi d’un site de clivage AXA, car le signal est généralement coupé de la protéine mature par une peptidase. 6. L’entrée des protéines dans le RER. Dès qu’il est traduit, le PSIT lie une poche hydrophobe située dans la Particule de Reconnaissance du Signal (SRP).  Cette dernière est une GTPase soluble formée de 6 protéines et d’un ARN. Lorsque la SRP se lie à un PSIT (d’une protéine en cours de transcription), elle bloque la traduction en cours en bloquant le site A du ribosome.  Le site A est le site où l’ARN-t chargé d’un acide aminé s’installe lors de la traduction. (© Garland Science 2008) 6. Les protéines dans le RER. a. L’entrée des protéines dans le RER o La SRP liée au PSIT est reconnue par son récepteur situé à la membrane du RER. Une fois liée à son récepteur, SRP hydrolyse son GTP, ce qui provoque le relâchement du signal (PSIT). o Les translocateurs sont situés aussi à la membrane du RER, à proximité des récepteurs. Ils permettent au PSIT(et au reste de la protéine) d’entrer à l’intérieur du RER. (© Garland Science 2008) 6. Les protéines dans le RER. a. L’entrée des protéines dans le RER Le translocateur, un complexe protéique appelé Sec61(αβγ), a une poche hydrophobe dans sa « couture » et un bouchon dans le fond.  Le PSIT, libéré de la SRP, tasse le bouchon pour ensuite s’installer au niveau de la couture pour l’ouvrir.  Ainsi, le reste de la protéine a de la place pour glisser vers la lumière du RER, au fur et à mesure qu’elle est traduite.  Durant ce temps, le PSIT est gardé dans le translocateur. (© Garland Science 2008) 6. Les protéines dans le RER. b. Une protéine soluble vs membranaire o Les protéines solubles (hydrophiles) vont entrer dans la lumière du RER et leur PSIT sera coupé par une peptidase membranaire, qui coupe au niveau du site AXA, situé juste après le PSIT. o Certaines protéines membranaires garderont leur PSIT. Ce dernier servirait d’ancrage à la membrane. Dans ces cas, le PSIT est généralement situé un peu plus loin dans la protéine (pas en N-terminal). 6. Les protéines dans le RER. Le centre du translocateur est hydrophile et les b. Une protéine soluble vs membranaire régions hydrophobes ne peuvent pas le traverser. Une protéine membranaire peut être produite à partir d’un autre signal : la Séquence d’Arrêt de Transfert (SAT). Il s’agit d’une autre séquence d’acides aminés hydrophobe. Les protéines membranaires avec des hélices- α hydrophobes sont toutes synthétisées dans le RER (et sa membrane), à l’exception des protéines mitochondriales et chloroplastiques.  Ces hélices correspondent à des régions PSIT et SAT! Le SAT ne peut pas traverser le translocateur, ni d’aller dans la couture de ce dernier (sa forme est non complémentaire).  Il est relâché dans la membrane directement et l’incorporation de la protéine s’arrête (même si sa traduction continue). 6. Les protéines dans le RER. c. Les protéines dans le RER Une fois entrées dans le RER (lumière ou membrane), toutes les protéines passent vers le Golgi via les vésicules. o À partir du Golgi, certaines protéines continueront leur périple alors que d’autres retourneront vers le RER, car leur rôle est dans le RER. Ces protéines qui retournent au RER doivent posséder, en plus du PSIT en N-terminal, un signal de rétention en C- « Les protéines entrent par leur ‘tête’ (N) terminal. Il s’agit de la séquence KDEL pour les protéine et sont retenues par leurs ‘pieds’ (C)» solubles et KKXX pour les protéines membranaires. Un petit peptide ayant les séquences PSIT et KDEL a été marqué par une protéine fluorescente en vert (GFP = green fluorescent protein).  L’image obtenue permet donc de localiser l’emplacement du RER dans la cellule Bannai,H., et al., (2004).Kinesin dependent, rapid, bi-directional transport of ER sub-compartment in dendrites of hippocampal neurons. J Cell Sci 6. Les protéines dans le RER. d. Le rôle du RER dans la modification des protéines La plupart des protéines synthétisées dans le RER seront sécrétées à l’extérieur de la cellule. Elles doivent être capable de résister à l’environnement extérieur. o Une disulfide isomérase catalyse la formation ou la rupture de ponts disulfures. Elle s’assure que les liens S-S soient bien faits, avant que la protéine ne quitte le RER. o Une ancre lipidique de GPI (Glycosyl phosphatidyl inositol) peut être ajoutée sur les protéines par le complexe enzymatique transmidase. Les protéines GPI se retrouvent dans les radeaux lipidiques et peuvent être libérées par une phospholipase. 6. Les protéines dans le RER. d. Le rôle du RER dans la modification des protéines o Une oligosaccharide transférase membranaire ajoute une unité préformée de sucre sur le résidu asparagine. L’Asn doit faire partie du motif N-X-S/T.  L’unité de sucre ajoutée est toujours la même : un oligosaccharide de14 sucres (mannose, glucose, NAG).  Durant la maturation de la protéine (RER et Golgi), l’unité ajoutée sera modifiée et taillée pour finir avec un modèle de base à 5 sucres (2 NAG et 3 mannoses) Milan Elleder, Jakub Sikora (2008) 6. Les protéines dans le RER. d. Le rôle du RER dans la modification des protéines Modification des sucres = contrôle qualité Les 2 glucoses terminaux sont enlevés à la fin de la traduction et les différentes chaperonnes vérifient la forme de la protéine. o Si la protéine est «OK», le dernier glucose est clivé et elle sort du RE (par vésicule vers Golgi). o Si elle est mal repliée, une glucosyl transférase lui ajoute un glucose et la protéine doit repasser par les chaperonnes qui essayeront de la plier correctement. 6. Les protéines dans le RER. e. Le voyage des protéines à partir du RER Les compartiments cellulaires entourés par une membrane sont liés par le trafic vésiculaire. Les vésicules transportent les protéines d’un endroit à l’autre à l’aide des moteurs protéiques et des éléments du cytosquelette polaires (microtubules et actine-F). Les vésicules se forment par bourgeonnement (à partir du compartiment donneur) et, une fois rendues à leur destination, elles fusionnent avec la membrane du compartiment cible. Le voyage du RER vers le Golgi… Milan Elleder, Jakub Sikora (2008)