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TRAFIC VÉSICULAIRE INTRA-CELLULAIRE

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TRAFIC V SICULAIRE INTRA-CELLULAIRE - PowerPoint PPT Presentation


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TRAFIC VÉSICULAIRE INTRA-CELLULAIRE. Moyens de communication de la cellule avec l\'environnement. Procaryotes Tout passe par la membrane plasmique Eucaryotes Endocytose milieu extra cellulaire  lysosomes  digestion  métabolites dans le cytosol Exocytose : voie sécrétoire

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Presentation Transcript
moyens de communication de la cellule avec l environnement
Moyens de communication de la cellule avec l\'environnement
  • Procaryotes
    • Tout passe par la membrane plasmique
  • Eucaryotes
    • Endocytose
      • milieu extra cellulaire  lysosomes  digestion  métabolites dans le cytosol
    • Exocytose : voie sécrétoire
      • synthèse de nouvelles molécules  compartiments  surface
fig 13 1
Fig 13-1
  • Les voies endocytaire et sécrétoire
    • voie endocytaire
    • voie sécrétoire
    • voies de retour
la lumi re
La lumière
  • Espace compris à l\'intérieur d\'un compartiment limité par une membrane
  • Topologiquement toutes équivalentes entre elles et avec l\'espace extra cellulaire
r le de la voie endo exo cytaire
Rôle de la voie endo/exo-cytaire
  • Modification des molécules qui seront sécrétées vers l\'extérieur
  • Connections (indirecte) de la membrane plasmique au réticulum endoplasmique
topologie des membranes
Topologie des membranes
  • Les lumières sont équivalentes
  • Le transport se fait par vésicules
le cargo
Le cargo
  • Molécule luminale ou membranaire qui est transportée par la vésicule
fig 13 2
Fig 13-2

Transport vésiculaire

maintien de l\'asymétrie de la membrane

pas de membrane à traverser pour les molécules solubles

Fusion des feuillets bleus

Fusion des feuillets rouges

fig 13 3
Fig 13-3

Compartiments intracellulaires impliqués dans les voies endo/exo-cytaires

Recirculation

Voie endocytaire

Golgi  RE

Endos tardif  Golgi

Endos précoce  membrane

Voie sécrétrice

quilibre entre les compartiments
Équilibre entre les compartiments
  • Entrées = sorties
  • Pour les membranes et pour les cargos 
  • Un aller  un retour
  • Sélectivité
    • Des cargos transportés
    • Des destinations
trafic v siculaire intra cellulaire1
TRAFIC VÉSICULAIRE INTRA-CELLULAIRE
  • Les mécanismes moléculaires du transport par membrane et le maintien de la diversité des compartiments
  • Transport à partir du réticulum endoplasmique à travers le Golgi
  • Transport du TGN vers les lysosomes
  • Transport de la membrane plasmique vers l\'intérieur de la cellule : endocytose
  • Transport du TGN vers l\'extérieur de la cellule : exocytose
trafic v siculaire intra cellulaire2
TRAFIC VÉSICULAIRE INTRA CELLULAIRE

I - Les mécanismes moléculaires du transport membranaire et le maintien de la diversité des compartiments

  • Phénomènes de bourgeonnement et fusion
  • Maintien des différences entre les compartiments
probl me
Problème
  • Échange permanent entre les compartiments  mélange des molécules  tous les compartiments finiront pas être identiques
la solution
La solution
  • Marqueurs moléculaires exprimés à la surface cytosolique des membranes
m thodes d approche
Méthodes d\'approche
  • Systèmes sans cellules
  • Protéines de fusion avec la GFP
  • Génétique
syst mes sans cellules
Systèmes sans cellules
  • Population donneuse
    • cellules mutantes qui n\'ont pas N-acétylglucosamine transférase I
    • infectées par un virus (donc glycoprotéine virale présente)
    • pas de glycoprotéine virale porteuse de N-acétylglucosamine
  • Golgi accepteur
    • possède N-acétylglucosamine transférase I (type sauvage)
    • non infecté par le virus donc pas de glycoprotéine virale
  • Mélange des deux
    • présence de glycoprotéine virale porteuse de N-acétylglucosamine 
  • Il a fallu qu\'il y ait transport
g n tique
Génétique
  • Protéines thermosensibles codées par des mutants
  • Phénomène de suppression multicopies
l ments d approche
Éléments d\'approche
  • Les types de vésicules
  • Assemblage du manteau (les GTPases)
  • Guidage du transport (les SNARE)
  • Amarrage (protéines Rab)
  • Fusion
l ments d approche1
Éléments d\'approche
  • Les types de vésicules
  • Assemblage du manteau (les GTPases)
  • Guidage du transport (les SNARE)
  • Amarrage (protéines Rab)
  • Fusion
1 les types de v sicules
1 - Les types de vésicules
  • Vésicules recouvertes sur leur face cytosolique
  • Bourgeonnement
  • Perte du manteau
  • Fusion des membranes
les deux r les du manteau
Les deux rôles du manteau
  • Concentration de protéines membranaires dans un patch qui formera la vésicule  permet la sélection des molécules à transporter
  • Moule la vésicule qui aura ainsi toujours à peu près la même taille
fig 13 4
Fig 13-4

Les trois types de manteau des vésicules recouvertes

utilisation des diff rents manteaux dans le trafic v siculaire
Utilisation des différents manteaux dans le trafic vésiculaire

Clathrine : à partir du Golgi et à partir de la membrane plasmique

au moins trois types de vésicules à clathrine

COPI et COPII : à partir du RE et du Golgi

Beaucoup d\'autres

fig 13 5
Fig 13-5

Utilisation des différents manteaux dans le traffic vésiculaire

l ments d approche2
Éléments d\'approche
  • Les types de vésicules
  • Assemblage du manteau (les GTPases)
  • Guidage du transport (les SNARE)
  • Amarrage (protéines Rab)
  • Fusion
2 assemblage du manteau
2 - Assemblage du manteau

a - Exemple : clathrine

Le plus étudié

(b - COPI et COPII)

fig 13 6
Fig 13-6

Puits et vésicules recouverts de clathrine en congélation sublimation rapide

clathrine
Clathrine

Une sous-unité de clathrine =

3 grosses chaînes +

3 petites chaînes

Une sous-unité = un triskélion

Assemblage des triskélions en un panier d\'hexagones et pentagones

Triskélions peuvent s\'assembler spontanément en panier même sans membrane

fig 13 7
Fig 13-7

Manteau de clathrine

  • (B) Deux triskélions
    • chaînes lourdes en gris ou rouge
    • chaînes légères en jaune

(C) Cryo-électro-microphotographie

(A) Ombrage au platine

manteau de clathrine
Manteau de clathrine
  • Un manteau = 36 triskélions (sans la vésicule)
  • 12 pentagones + 6 hexagones
  • Formation de deux coquilles
    • externe
    • interne : domaines N-terminaux des chaînes lourdes où se fixent les adaptines
  • Sur une vésicle : 12 pentagones + beaucoup plus d\'hexagones
adaptine
Adaptine
  • Protéine de manteau à clathrine
  • Complexe multiprotéique
  • Lie la clathrine à la membrane
  • Piège les protéines transmembranaires dont les récepteurs qui capturent les cargos solubles
  • Au moins 4 types d\'adaptine pour les différents récepteurs de cargo
fig 13 8
Fig 13-8

Assemblage et désassemblage d\'un manteau de clathrine

Les adaptines se lient à la clathrine et au complexe cargo/cargo-r

Dynamine = GTPase

pincement de la membrane
Pincement de la membrane

Dynamine + autres protéines

Fusion des feuillets non cytosoliques (grâce à la dynamine)

fig 13 9
Fig 13-9

Rôle de la dynamine

Puits à clathrine dans les cellules nerveuses de drosophiles shibire ayant une mutation du gène de la dynamine entraînant une paralysie. Anneau correspondant à la dynamine mutée

perte du manteau
Perte du manteau
  • La vésicule quitte la membrane
  • Le manteau de clathrine est perdu immédiatement
    • intervention de chaperonne de la famille des hsp70 (ATPase)
    • auxilline active l\'ATPase
  • La vésicule doit attendre d\'être constituée pour que le manteau se retire
sp cificit du manteau
Spécificité du manteau
  • Mécanismes généraux identiques
  • Mais chaque membrane a ses spécificités
    • membrane plasmique (riche en cholestérol) : nécessité de beaucoup d\'énergie
    • autres membranes : existence de bourgeonnements
b prot ines autres que la clathrine
b - Protéines autres que la clathrine
  • CopI : 7 sous-unités protéiques

analogies avec adaptine

    • Bourgeonnement à partir du Golgi
  • CopII : 4 sous-unités protéiques
    • Bourgeonnement à partir du RE
  • (a – Clathrine)
toutes les v sicules ne sont pas sph riques
Toutes les vésicules ne sont pas sphériques
  • Membranes contenant des protéines fluorescentes
  • Long tubules qui émanent de endosomes et réseau trans-golgien (TGN)
  • Ces tubules peuvent servir de transporteurs (grand rapport surface / volume)
  • "une vésicule peut être tubulaire !"
c contr le de l assemblage du manteau gtp binding proteins rappel
c –Contrôle de l\'assemblage du manteau : GTP binding proteins (rappel)
  • GTP binding proteins
    • 2 états
      • Actif avec liaison de GTP
      • Inactif avec liaison de GDP
    • 2 types
      • Monomérique (= GTPases monomériques) les mieux connues
      • Trimérique (= GTPases trimériques = protéines G)
  • Passage d\'un état à l\'autre par
    • GEFs (Guanine-nucleotide-Exchange Factors) GDP  GTP
    • GAPs (GTPase-Activating Proteins) GTP  GDP
fig 13 10
Fig 13-10

Formation d\'une vésicule à COPII (RE)

GTPase monomériquerecruteuse de manteau

Sar 1-GTP recrute COPII vers la membrane

= Sec12

gtp binding proteins rappel
GTP binding proteins (Rappel)
  • Monomérique
    • GTPases
      • GTPases de recrutement du manteau
        • Protéines ARF (ADP Ribosylation Factor)
          • Assemblage COPI et clathrine au Golgi
        • Protéine Sar 1
          • Assemblage COPII au réticulum endoplasmique
        • ?
          • Assemblage clathrine à la membrane plasmique
      • Rab : amarrage des protéines de transport
      • Etc…
    • Etc…
  • Trimériques
    • Protéines G
slide45

Formation of secretory vesicles in the biosynthetic pathway ReviewSylvie Urbé, Sharon A. Tooze and Francis A. BarrBiochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research Volume 1358, Issue 1 , 21 August 1997, Pages 6-22

Protéines de formation des vésicules recouvertes de COP I- et COP II

gtpases de recrutement du manteau les acteurs
GTPases de recrutement du manteau : les acteurs
  • Membrane du RE
  • Sar 1 GDP (= GTPases de recrutement du manteau) forte concentration, cytosolique, inactive
  • GEF (Guanine-nucleotide-Exchange Factor)
gtpases de recrutement du manteau la s quence
GTPases de recrutement du manteau : la séquence
  • Une vésicule à COPII est sur le point de bourgeonner (du RE)
  • Une GEF spécifique (protéine de membrane du RE appelée Sec 12) se lie à la Sar 1 du cytosol
  • et remplace le GDP de la Sar 1 par du GTP
  • La Sar 1 GTP libère une queue d\'acide gras lui permettant de se fixer dans la membrane du RE
  • puis recrute des sous-unités de COPII
  • La membrane bourgeonne en incluant des protéines membranaires sélectionnées
fig 13 101
Fig 13-10

Formation d\'une vésicule à COPII

d sassemblage du manteau
Désassemblage du manteau
  • GTPases de recrutement du manteau
  • Hydrolyse du GTP en GDP
  • La queue est exclue de la membrane
  •  désassemblage du manteau
  • C\'est le temps qui finit par déclencher l\'hydrolyse
l ments d approche3
Éléments d\'approche
  • Les types de vésicules
  • Assemblage du manteau (les GTPases)
  • Guidage du transport (les SNARE)
  • Amarrage (protéines Rab)
  • Fusion
3 guidage du transport
3 - Guidage du transport
  • Reconnaissance vésicule de transport  membrane cible
  • Toutes les vésicules de transport ont des marqueurs de surface spécifiques de leur origine et de leur cargo
  • Les membranes cible ont des récepteurs complémentaires
reconnaissance v sicule de transport membrane cible
Reconnaissance vésicule de transport  membrane cible
  • SNAREs
    • Spécificité
    • Catalyseur de la fusion
  • Rabs (GTPases cible)
    • Amarrage initial
    • Fixation de la vésicule
    • En collaboration avec d\'autres protéines
rab gtp binding proteins
rab GTP-Binding Proteins

A large family of MONOMERIC GTP-BINDING PROTEINS that play a key role in cellular secretory and endocytic pathways

abr viations
Abréviations
  • SNAREs : SNAP receptors
  • SNAPs : soluble NSF attachment proteins
  • NSF : N-ethylmaleimide-sensitive-fusion protein
fig 13 11
Fig 13-11

Rôle des SNAREs dans le guidage des vésicules de transport

snares
SNAREs
  • Au moins 20 espèces différentes
  • Protéines trans-membranaires
  • Marchent par deux :
    • v- SNAREs (vesicle)
    • t- SNAREs (target = cible)
  • Domaine hélicoïdal qui s\'enroule l\'un dans l\'autre  complexe trans–SNARE qui contribue à la fusion des membranes
complexe trans snare
Complexe trans–SNARE
  • Toujours 4 hélices 
    • 3 formées par t-SNARE
    • 1 formée par v-SNARE
  • Ici 3 protéines
    • v-SNARE 1 hélice (synaptobrévine)
    • t-SNARE 1 hélice (syntaxine)
    • t-SNARE 2 hélices (Snap25 : protéine périphérique)
fig 13 12
Fig 13-12

Structure de SNAREs appariés dans les terminaisons nerveuses

snares nerveuses
SNAREs nerveuses
  • Cibles de neurotoxines
    • Tétanos
    • Botulisme
  • Protéases qui entrent dans des neurones spécifiques, clivent les SNAREs et bloquent la transmission synaptique
d sassemblage du complexe trans snare
Désassemblage du complexe trans-SNARE
  • Après fusion le complexe SNARE est stable dans la membrane
  • Doit être désassemblé 
  • NSF (N-ethylmaleimide-sensitive-fusion protein)
slide61
NSF
  • Cycle entre les membranes et le cytosol
  • Catalyse le désassemblage
  • ATPase
  • Ressemble à une chaperone cytosolique qui solubilise et aide à replier correctement les protéines dénaturées
  • Déroule les hélices des SNAREs
  • en collaboration avec des protéines adaptatrices
fig 13 13
Fig 13-13

Dissociation d\'une paire v-SNARE t-SNARE par NSF une fois le cycle de fusion terminé

NSF + des protéines adaptatrices  hydolyse ATP +séparation des SNAREs

La dissociation régule quand et où les membranes vont fusionner

l ments d approche4
Éléments d\'approche
  • Les types de vésicules
  • Assemblage du manteau (les GTPases)
  • Guidage du transport (les SNARE)
  • Amarrage (protéines Rab)
  • Fusion
4 amarrage
4 – Amarrage
  • Rôle important des protéines Rab dans la spécificité du transport vésiculaire
prot ines rab
Protéines Rab
  • GTPases monomériques
  • Plus de 30 membres  la plus grande sous-famille de GTPases monomériques
  • Distribution caractéristique sur les membranes cellulaires
  • Chaque organite a au moins une protéine Rab sur sa face cytosolique
  • Facilitent et régulent
    • Le taux d\'amarrage des vésicules
    • et l\'appariement des v-t- SNAREs
table 13 1
Table 13-1
  • Localisation sub-cellulaire de quelques protéines Rab
prot ines rab1
Protéines Rab
  • Comme les GTPases de recrutement du manteau elles cyclent entre la membrane et le cytosol
  • Comme les GTPases de recrutement du manteau, 2 états :
    • Inactif avec liaison de GDP dans le cytosol
    • Actif avec liaison de GTP associé à une membrane
c contr le de l assemblage du manteau gtp binding proteins rappel1
[c – Contrôle de l\'assemblage du manteau : GTP binding proteins (rappel)
  • GTP binding proteins : 2 états
    • Actif avec liaison de GTP
    • Inactif avec liaison de GDP
  • Passage d\'un état à l\'autre par
    • (GEFs): GDPGTP (monomérique = GTPase )
    • GTPase-Activating Proteins (GAPs) : GTPGDP (trimérique = protéines G) Guanine-nucleotide-Exchange Factors]
fig 13 14
Fig 13-14

Rôle des protéines Rab dans l\'amarrage des protéines de transport

Sar1COPIIformation de la vésiculeRabSNARE amarrage de la vésicule

les effecteurs de rab 1 2
Les effecteurs de Rab (1/2)
  • Reconnaissance de Rab (Lié, GTP) par un Rab effecteur
  • Gros complexe protéique
  • Très variable d\'une protéine Rab à une autre
les effecteurs de rab 2 2
Les effecteurs de Rab (2/2)
  • Parfois longues protéines filamenteuses qui limitent le mouvement des vésicules entre des citernes golgiennes adjacentes
  • Se lient à Rab et empêchent l\'hydrolyse prématurée du GTP
  • D\'autres sont des moteurs qui dirigent les vésicules vers leur destination
prot ines rab2
Protéines Rab
  • Agissent sur les protéines de contrôle des SNAREs
  • Accélèrent le processus de reconnaissance des SNAREs entre elles
  • Achèvent le verrouillage de la vésicule à sa cible par appariement des SNAREs 
  • prêt pour la fusion
  • Après la fusion, la protéine Rab hydrolyse son GTP lié
  • et retourne dans le cytosol
l ments d approche5
Éléments d\'approche
  • Les types de vésicules
  • Assemblage du manteau (les GTPases)
  • Guidage du transport (les SNARE)
  • Amarrage (protéines Rab)
  • Fusion
5 fusion
5 – Fusion
  • Distinguer amarrage de fusion
  • Fusion ne fait pas toujours suite à amarrage :
    • eg : exocytose régulée
  • Amarrage : les protéines des membranes interagissent et adhèrent
  • Fusion : les couches lipidiques peuvent se joindre  nécessité d\'extrusion d\'eau  protéines de fusion pour résoudre le problème énergétique ( dynamine au cours du bourgeonnement des vésicules à clathrine)
fig 13 15
Fig 13-15

Modèle de concentration des protéines SNAREs au cours de la fusion de membrane

Des liposomes (in vitro)v-SNAREs + des liposomes t-SNAREs  fusion lente 

Intervention (dans la cellule) d\'autres protéines

pour initier la fusion

ou pour retirer des protéines inhibitrices

importance des ph nom nes de fusion de membrane
Importance des phénomènes de fusion de membrane
  • Transport vésiculaire
  • Fécondation (fusion oolemme spermatozoïde)
  • Fusion des myoblastes
  • Maintien de l\'identité des cellules
  • Maintien de l\'identité des compartiments intra-cellulaires
  • Mode d\'entrée des virus à enveloppe dans les cellules
analogie prot ines de fusion virales snares
Analogie protéines de fusion virales  SNAREs
  • Human Immunodeficiency Virus (HIV)
    • Se lie aux récepteurs de la surface de la cellule
    • Les membranes de la cellule et du virus fusionnent
    • L\'acide nucléique viral entre dans la cellule et s\'y réplique
  • Virus influenza
    • Entrée du virus dans la cellule par endocytose
    • Arrivée dans l\'endosome
    • Activation d\'une protéine de fusion de l\'enveloppe virale
    • Fusion de la membrane virale et de la membrane endosomale
    • L\'acide nucléique viral entre dans le cytosol et s\'y réplique
fig 13 16
Fig 13-16

Entrée d\'un virus à enveloppe dans la cellule

entr e d un virus enveloppe dans la cellule
Entrée d\'un virus à enveloppe dans la cellule
  • Liaison de HIV à la protéine CD4 à la surface des lymphocytes…
  • …par l’intermédiaire de la protéine virale gp120 liée à la protéine de fusion de HIV
  • Une 2ème protéine de surface de la cellule hôte qui sert normalement de récepteur aux chimiokines agit avec gp120 
  • Séparation de gp120 et de la protéine de fusion 
  • Enfouissement de la partie hydrophobe de la protéine de fusion dans la membrane
  • La protéine de fusion (trimère) se comporte transitoirement comme une protéine de membrane dans deux membrane opposées 
  • Réarrangement spontané de la protéine de fusion qui se collabe en une structure compacte de 6 hélices 
  • Libération d’énergie  rapprochement des membranes
r sum
Résumé
  • Les manteaux
  • GTPases (Sar1 et ARF)
  • GTPases (Rab)
  • SNAREs
ad