Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 PDF

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Cours 9 Les compartiments cellulaires (suite) Introduction :Trafic vésiculaire...

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Cours 9 Les compartiments cellulaires (suite) Introduction :Trafic vésiculaire 1. Les protéines voyageant du RER vers le 4. Localisation du golgi golgi 4.1. Chez les vertébrés 1.1. Les vésicules COP-II 4.2. Chez les plantes 1.2. Fusion membranaire 2. Arrivée au Golgi 5. Le Golgi et la mitose 2.1. Trans – Médian - Cis 6. Le lysosome 2.2. Les vésicules COP-I 6.1. Compartiment acide a. Différences et similitudes avec COPII 6.2. L’étiquette d’entré b. Retour vers le RER 6.3. formation à partir du trans-golgi 2.3. Le transport à travers les différentes parties du 6.4. Transport des hydrolases acides Golgi 2.4. La matrice extra-golgienne 7. L’endosome a. Les golgines 7.1. Exemple d’endocytose 7.2.La phagocytose 2.5. La maturation des sucres 7.3. La phagocytose et l’autophagie 3. Le voyage des protéines à partir du Golgi 7.4. Chez les plantes 3.1. Le recyclage de la clathrine 3.2. Vers la membrane plasmique  Introduction :Trafic vésiculaire o Les compartiments cellulaires entourés par une membrane sont liés par le trafic vésiculaire. o Les vésicules transportent les protéines d’un endroit à l’autre à l’aide des moteurs protéiques et des filaments cytosquelettiques polaires (MT et actine-F). o Les vésicules «naissent» par bourgeonnement (à partir du compartiment A) et une fois rendues à leur destination, ils font la fusion membranaire (avec le compartiment B). Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed  1. Les protéines voyageant du RER vers le golgi Le trafic vésiculaire comprend le chargement d’une cargaison dans le site de bourgeonnement, la formation de vésicules à partir d’une membrane donneuse et de la fusion de ces vésicules avec une membrane cible.  Le transport vésiculaire a une direction. Il existe trois types de vésicules, recouvertes par trois protéines différentes, selon leur endroit dans la cellule et où elles se dirigent. *COP = coat protein (manteau protéique) Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 1. Les protéines voyageant du RER vers le golgi 1.1. Les vésicules COP-II Les vésicules COP-II sont formées à partir du RER et sont acheminées vers le Golgi. Elles se forment autour de leur cargaison. o La Sar1(GTPase monomérique) est activée par une GEF de la membrane : insertion de Sar1 dans la membrane grâce à une hélice α amphiphile. o Les protéines Sec23/24 lient Sar1-GTP et un récepteur de cargaison. Elles forment l’intérieur du manteau protéique des vésicules COP-II. o Les protéines Sec13/31 se lient par-dessus Sec23/24 et forment l’extérieur du manteau protéique de COP-II. Elles sont courbées et leur forme détermine le diamètre de la vésicule. Protéines adaptatrices Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 1. Les protéines voyageant du RER vers le golgi 1.1. Les vésicules COP-II o Une fois les COP-II ont bourgeonné du RER, elles doivent se fusionner à une membrane cible. Deux types de protéines sont utilisées pour ce ciblage: les Rabs (GTPase de type RAS) et les SNAREs (protéines de fusion). Les deux travaillent ensemble pour sélectionner la bonne membrane. o Comme Sar1, Rab-GTP s’insère dans la membrane de COP-II lorsqu’elle est activée par un GEF membranaire situé sur la membrane donneuse de vésicule. Le récepteur de la Rab-GTP se trouve sur la membrane cible (acceptrice de la vésicule). Il y a environ 60 Rabs et leurs récepteurs spécifiques dans une cellule animale. Les Rabs et SNAREs participent au ciblage des autres vésicules (COP-I et clathrine). Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed  1. Les protéines voyageant du RER vers le golgi 1.2. Fusion membranaire Les SNAREs sont des protéines membranaires qui se trouvent sous forme de paires complémentaires.  Une v-SNARE sur la membrane de la vésicule  Une t-SNARE inséré dans la membrane cible. La liaison v/t-SNAREs est tellement forte que l’eau entre les membranes est expulsée. Sans eau, les 2 couches externes de chaque membrane fusionnent. Feuillets cytosoliques Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 1. Les protéines voyageant du RER vers le golgi 1.2. Fusion membranaire Une fois que la vésicule a fusionné avec la membrane cible, il faut dissocier la paire de SNAREs(v-SNARE et t-SNARE). La liaison entre ces deux protéines est tellement forte qu’il faut l’énergie de l’hydrolyse d’ATP pour les dissocier (NSF≡ ATPase). Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 2. Arrivée au Golgi 2.1. Trans – Médiane - Cis Les vésicules COP-II fusionnent avec le cis-Golgi.  Une partie des protéines retournera au RER via les vésicules COP-I.  D’autres poursuivront leur route vers la région médiane-Golgi, puis le trans-Golgi. Dans la région médiane-Golgi, les protéines subissent une maturation de leurs sucres. Dans le trans-Golgi, les protéines sont triées et emballées pour leur destination finale :  endosome/lysosome(vésicules de clathrine)  la membrane plasmique (vésicules COP-I). Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 2. Arrivée au Golgi 2.2. Les vésicules COP-I a. Différences et similitudes avec COPII Certaines vésicules bourgeonnent continuellement à partir du Golgi. Elles transportent les protéines vers le RE, entre les différentes parties du Golgi lui-même ou vers la membrane plasmique. Les vésicules COP-I sont similaires aux COP-II, mais utilisent les protéines de recouvrement différentes. Leur formation commence par l’activation de ARF1 (protéine GTPase de type RAS) au lieu de Sar1. Nickel, W et al., (2002). 2. Arrivée au Golgi 2.2. Les vésicules COP-I b. Retour vers le RER o Dans le Cis-Golgi, les manteaux de COP-I se forment autour des protéines transmembranaires ayant la séquence KKXX en C terminale. Les récepteurs de KDEL font partie de ces protéines transmembranaires (ont la KKXX). o Le retour de lipides et des protéines KKXX/KDEL du cis-Golgi au RE est constitutif (continuel) et a besoin de Rab-snares appropriées. Le RE ne trie pas les protéines, c’est pourquoi le cis-Golgi s’en occupe Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 2. Arrivée au Golgi 2.3. Le transport à travers les différentes parties du Golgi Plusieurs modèles tentent d’expliquer le mécanisme de transport des protéines à travers les différentes citernes et vésicules du Golgi. Modèle de transport de vésicules Modèle de maturation des citernes Les citernes restent statiques, les protéines Maturation graduelle des citernes et des voyagent d’une citerne à l’autre via les protéines qu’elle contiennent (antérograde). Le vésicules (antérograde et rétrograde). transport rétrograde se fait par vésicules. Le mélange des deux modèles est possible Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 2. Arrivée au Golgi 2.3. Le transport à travers les différentes parties du Golgi Le transport antérograde et rétrograde par vésicules, vues en microscopie puis modélisé par informatique (ajout de la couleur pour distinguer les vésicules) Staehelin, & Kang. (2008). 2. Arrivée au Golgi 2.4. La matrice extra-golgienne Responsable de l’intégrité structurale du Golgi, elle aide au transport et positionne le Golgi dans la cellule.  Composée de nombreuses protéines, majoritairement des golgines, associées aux membranes du Golgi, du côté cytoplasmique. Ces protéines s’allongent et forment un filet qui exclut la majorité des organites, mêmes les ribosomes. Les golgines sont des protéines « coiled-coil», une super hélice, retrouvées chez tous les eucaryotes.  Différents types d’attaches (liaisons) pour les membranes et le cytosquelette. Il faut s’organiser et retenir toutes les citernes et les vésicules Trans-Golgi Network Staehelin, & Kang. (2008). 2. Arrivée au Golgi 2.4. La matrice extra-golgienne a. Les golgines Elles s’insèrent dans la membrane du Golgi via leur C-terminal et l’extrémité N-terminale peut se retrouver beaucoup plus loin dans le cytoplasme (100-600nm). La structure en super hélice est interrompue par endroits pour permettre plus de flexibilité.  Différents types de golgines dont la plupart peut lier les protéines d’identité vésiculaire (Rab, Arf, etc.). Ainsi, les golgines sont recrutées à des citernes spécifiques et ‘pêchent’ des vésicules spécifiques dans le cytoplasme. Witkos, T. M., & Lowe, M. (2016). 2. Arrivée au Golgi Étudier la spécificité des golgines, quelle golgine se 2.4. La matrice extra-golgienne a. Les golgines lie à quel type de vésicule ? Un type de golgine à la fois est exprimé sur la mitochondrie (modification sur la golgine: ajout du signal d’insertion pour la membrane externe de mitochondrie). Analyse de ce qui a abouti à la surface de la mitochondrie (le type de vésicule et ce qu’elle contient). Pourquoi la mitochondrie ? Wong, M., & Munro, S. (2014). 2. Arrivée au Golgi 2.4. La matrice extra-golgienne a. Les golgines L’attachement d’une vésicule ou d’une citerne à la golgine peut mener à  la fusion membranaire (certaines golgines interagissent avec les SNAREs)  à une stabilisation de la matrice externe du Golgi (empilement des citernes). 2. Arrivée au Golgi 2.5. La maturation des sucres Les protéines arrivent au golgi ayant une glycosylation fournie par le RER: toutes ont la même unité préformée liée aux Asns et composée de N-acétylglucosamine (GlcNac) et de mannose.  Différentes enzymes golgiennes travailleront sur cette unité de façon séquentielle pour former une unité de sucre différente. Chaque produit est reconnu comme le substrat pour la prochaine enzyme. Waheed, Md. (2018).  2. Arrivée au Golgi 2.5. La maturation des sucres Tomographie immunoélectronique: localisation de l’enzyme mannosidase I (ManI) par les anticorps couplés aux particules d’or (observable en microscopie électronique), puis modélisation de l’appareil de golgi en 3D (tomographie) Le Golgi est formé de plusieurs compartiments ayant des activités enzymatiques différentes. Staehelinand Kang (2008) 2. Arrivée au Golgi 2.5. La maturation des sucres o Ciblage: un moyen de signaler le lieu d’appartenance de la protéine lors du tri dans le trans-Golgi. o Augmente la solubilité de la protéine, ce qui aide au repliement en milieu aqueux. o Couche protectrice : résistance aux protéases, ce qui est très utile pour les constituants du lysosome. o Adhérence intercellulaire et au substrat ( jonctions, glycocalyx) o Signalisation intercellulaire. (ex. antigènes et globules blancs) En plus de protéines, le Golgi participe dans la production de glycolipides. 3. Le voyage des protéines à partir du Golgi Deux possibilités à partir du trans-golgi ( besoin d’un tri) o Vers la membrane plasmique : par des vésicules COP-I ayant des Rabs et SNAREs appropriées. Les protéines- cargo sont ciblées par un sucre complexe. o Vers les endosomes-lysosomes: par des vésicules de clathrine ayant des Rabs et SNAREs appropriées. Les protéines-cargo sont ciblées par un sucre riche en mannose phosphaté. 3. Le voyage des protéines à partir du Golgi 3.2. Vers la membrane plasmique Il existe, pour des vésicules sécrétoires, des voies constitutives et des voies contrôlées. Dans le deuxième cas, les protéines sont emmagasinées dans des vésicules qui attendent un signal avant de fusionner à la membrane plasmique (ex. GLUT et insuline). Dégranulation d’un mastocyte Dégranulation du mastocyte : exocytose des vésicules contenant l’histamine = réaction allergique 3. Le voyage des protéines à partir du Golgi 3.1. Le recyclage de la clathrine Il est possible de concentrer les protéines cargo des vésicules ayant quitté le trans-Golgi en une seule vésicule (si les protéines-cargo peuvent être ensemble).  Cela s’appelle un retrait de membranes, à partir de la vésicule nouvellement formée.  Ces membranes récupérées, faites de clathrine, retournent au Golgi. La cellule recycle sa clathrine 4. Localisation du golgi 4.1. Chez les vertébrés Chez les Vertébrés, le Golgi est adjacent au MTOC. Il s’attache aux microtubules et au MTOC directement. Pour se déplacer, il s’accroche à la dynéine. Plusieurs protéines participent au positionnement du Golgi, dont les golgines. 4. Localisation du golgi 4.2. Chez les plantes Chez les plantes et les mycètes, le Golgi se positionne et se déplace grâce à l’interaction de sa matrice (extra-golgienne) avec l’actine-F et la myosine. Le modèle du Dock, Pluck and Go (Accroche, Cueille et Pars).  Le Golgi va chercher les vésicules du RER nouvellement formées. Staehelin, L. & Kang, Byung-Ho. (2008). 5. Le Golgi et la mitose Durant la mitose, la phosphorylation des protéines de la matrice extra-golgienne (et donc des golgines) bloque la voie de sécrétion et défait les citernes en petites vésicules.  le Golgi est distribué par «petits paquets» de façon égale entre les cellules filles.  La distribution se fait à l’aide du fuseau mitotique et les dynéines. Durant l’apoptose, la voie de sécrétion est bloquée et le Golgi est fragmenté de façon similaire, mais irréversible.  Les enzymes protéolytiques, les caspases, détachent et dégradent les protéines de la matrice extra-golgienne Witkos & Lowe (2016)  6. Le lysosome ≡Le site intracellulaire de digestion 6.1. Compartiment acide Des vésicules de clathrine partent à partir du Golgi (contiennent les hydrolases acides) ou à partir de la membrane plasmique (endocytose) et sont acheminées vers des compartiments intermédiaires appelés endosomes. L’endosome devient de plus en plus acide (grâce à l’activité de la pompe ATPase de type V) et accumule les hydrolases acides (fusion avec des vésicules contenant ces enzymes) : il se transforme en lysosome. L’étiquette: les protéines destinées au lysosome/ endosome sont étiquetées dans le Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed Golgi avec un mannose-6-phosphate (M6P). 6. Le lysosome 6.1. Compartiment acide Les marqueurs fluorescents de pH montrent des compartiments avec différents niveaux d’acidité.  Jaune : pH 6 ; Vert : pH 6,5 ; Rouge : pH 5 (acide, lysosome), Bleu : pH basique. Les histones ont plusieurs a.a basiques (chargés +). pH du noyau plus grand que celui du cytoplasme de 0,2 à 0,5 Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 6. Le lysosome 6.2. L’étiquette d’entrée Les protéines destinées au lysosome/endosome sont étiquetées dans le Golgi avec un mannose-6- phosphate (M6P). Ce dernier est synthétisé par deux réactions en série. o Une phosphotransférase lie la région signal de la (future) protéine lysosomale et transfère un GlcNAc-P (N- acétylglucosamine phosphatée) sur un mannose. o Une hydrolase enlève le GlcNAc et ne garde que le phosphate. Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 6. Le lysosome 6.3. formation à partir du trans-golgi Les vésicules de clathrine se forment autour de leur cargaison grâce aux adaptines. Ces dernières lient le récepteur membranaire du M6P d’un côté, puis la clathrine de l’autre. Une unité de clathrine s’appelle une triskèle, composée de 3 grosses protéines (chaînes lourdes) et 3 petites (chaînes légères).  Chaque triskèle est courbée et leur chevauchement forme un manteau épais sur une sphère. La vésicule finale ressemble à un panier d’osier. 6. Le lysosome 6.3. formation à partir du trans-golgi o Une dynamine (GTPase) est nécessaire pour faire un «pincement» final et détacher la vésicule de la membrane donneuse. Cette protéine se tord grâce à l’énergie libérée par l’hydrolyse du GTP. o Les vésicules détachées perdent leur manteau de clathrine. Cela permet de recycler la clathrine et d’exposer les Rabs et SNAREs (le manteau de clathrine est plus épais que celui des COP). Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 6. Le lysosome 6.4. Transport des hydrolases acides Le transport des hydrolases acides est unidirectionnel. o Le récepteur de M6P ne fonctionne pas au pH acide. La cargaison se détache et le récepteur est recyclé vers le Golgi (via des vésicules qui retournent au Golgi). o Une phosphatase acide enlève le P de M6P dans le lysosome (la cargaison perd le signal reconnu par le récepteur). Molecular bioloogy of the cell, 4th Ed 7. L’endosome Une station qui reçoit les vésicules de clathrine du Golgi ET de la membrane plasmique Les endosomes font le tri des molécules qu’ils reçoivent à partir des vésicules de clathrine. Ils recyclent les récepteurs (les retournent soit vers le Golgi, soit vers la membrane plasmique) avant que la digestion ne commence. L’endocytose: vésicules en provenance de la membrane plasmique o La pinocytose: ingestion de molécules solubles. Elle utilise les puits Puit recouvert recouverts comme intermédiaires dans la formation des vésicules de MEC clathrine. o L’endocytose par récepteurs : profite de la pinocytose grâce à l’utilisation Cytoplasme des adaptines. 7. L’endosome 7.1. Exemple d’endocytose Exemple d’endocytose par récepteurs de LDL (cholestérol) Endosome de recyclage Endocytose par récepteurs endosome précoce détachement de la cargaison grâce au pH; tri 7. L’endosome 7.2.La phagocytose L’ingestion de grosses particules nécessite la formation de pseudopodes qui entourent «la proie». La cellule se contracte (avec actine et myosine) d’un côté et le cytoplasme est projeté de l’autre côté (région de formation des pseudopodes). Les filaments d’actine, formant un filet rigide, donne une direction au mouvement du cytoplasme projeté (création du pseudopode). 7. L’endosome 7.3. La phagocytose et l’autophagie L’endocytose, la phagocytose et l’autophagie 7. L’endosome La digestion cellulaire chez les plantes et la vacuole multifonction 7.4. Chez les plantes Les étapes de la digestion 1-Endocytose 2-Endosome précoce (tri)  Protéines mem. à recycler  Protéines mem. à dégrader  Protéines solubles à dégrader o Pas de lysosomes o L’autophagie a eu lieu de la même façon que chez les animaux mais c’est la vacuole prend la place du lysosome o Pas de phagocytose Fan L. et al, (2015) 7. L’endosome 7.4. Chez les plantes Résumé de la distribution des protéines dans différents compartiments