Les Organites intracellulaires. Vésicules et lysosomes

Transcription

1 Les Organites intracellulaires Vésicules et lysosomes

2 Agenda Introduction Mécanisme moléculaire du trafic vésiculaire dans les voies de biosynthèse / sécrétion et d'endocytose vésicules entourées de protéines vésicules de sécrétion des voies constitutive et régulée Lysosomes et peroxysomes

3 intro

4 Endosomes

5 Les Organites cellulaires sur les voies clés de la dynamique cell. Import protéines Biosynthese Voie d endoexocytose dégradation Energie / apoptose Voie sécrétoire

6 Généralités Les différents compartiments du système endomembranaire communiquent par l'intermédiaire de vésicules de transport qui naissent par bourgeonnement du comportement donneur et qui fusionneront avec le compartiment accepteur. Le trafic vésiculaire est spécifique (adressage des protéines). Les mécanismes de bourgeonnement et de fusion sont quasi-identiques.

7 Importance du transport vésiculaire - Sécrétion (neuro)-hormonale Noradrénaline Adrenaline, insuline etc - Sécretion de produits intracellulaire «inutiles» ou toxiques - Nutrition Épithélium intestinal - Défense Leucocytes Phagocytes Macrophage etc Renouvellement de la membrane plasmique (phospholipides, récepteurs, transports, enzymes etc

8 Les étapes du transport vésiculaire Le transport vésiculaire se déroule en six étapes : 1) Tri moléculaire. 2) Bourgeonnement des vésicules à partir du compartiment donneur. 3) Fission : détachement des vésicules possédant un revêtement cytosolique protéique (coatomères ou clathrine). Les vésicules se «déshabillent» permettant ainsi l interaction entre les protéines motrices du cytosquelette et les vésicules. 4) Vectorisation : transport des vésicules entre le compartiment donneur et le compartiment receveur. 5) Ancrage des vésicules. 6) Fusion des vésicules avec le compartiment accepteur (ou receveur).

9 Les étapes du transport vésiculaire Molécule soluble Revêtement protéique Compartiment donneur Compartiment receveur

10 Fusion avec le compartiment accepteur: quelques importants importants > Les vésicules provenant du RE ne fusionnent qu'avec le golgi = spécificité de fusion entre 2 compartiments. > En absence de Ca 2+ les vésicules ne fusionnent pas et s'accumulent à la surface des membranes cibles. > La spécificité de fusion est due à des protéines complémentaires qui s'appellent des SNAREs. > Le transport des vésicules d'un compartiment à l'autre dépend de microtubules (cf Cytosquelette)

11 Les mécanismes d'adressage et de rétention des protéines spécifiques à chaque compartiment Indispensable pour le maintien des caractéristiques moléculaires de chaque compartiment. Il existe des signaux : > d'adressage qui amènent les protéines au compartiment de destination > de rétention = la protéine restera dans son compartiment. Concerne la forme des molécules membranaires et les molécules solubles mais leurs signaux d'adressage et de rétention sont différents. De plus, pour ce qui concerne les protéines sécrétoires, le signal d'adressage doit se lier à un récepteur transmembranaire.

12 Signaux d'adressage et de rétention dans le RE 1. Ceux des protéines transmembranaires Portés par leur domaine cytosolique. La séquence KKXX (Lysine-Lysine-X-X) est le signal d'adressage et de rétention. Cette séquence est reconnue par le coatomère lors du trafic vésiculaire.

13 Signaux d'adressage et de rétention dans le RE 2. Ceux des protéines solubles La séquence peptidique se termine par KDEL. Ces protéines sortent du RER en suivant le flux permanant (la cellule ne fait pas le tri cellulaire pas à cet endroit).

14 Rôle de la séquence KDEL dans la recapture des protéines résidentes du RE Les protéines transportées dans les vésicules possèdent des signaux d adressage qui leur sont nécessaires pour gagner leur destination finale.

15 Signaux d'adressage et de rétention dans le RE Arrivent au Golgi, la séquence KDEL est alors reconnue pour un récepteur porté par la membrane du Golgi appelé ERD (Endoplasmic Reticulum Receptor Defective). ERD a lui-même une séquence d'adressage de type KKXX cytosolique qui permettra le retour de ce récepteur couplé à la protéine KDEL au sein du RER par le biais du flux vésiculaire rétrograde. ERD sera lui-même ré adressé au golgi car il contient aussi une séquence d'adressage au golgi : ERD fait donc la navette entre RER et golgi Lorsqu'on mute la séquence de ERD, la protéine n'est plus fonctionnelle et est alors exocytée dans le milieu extracellulaire.

16 Rôle de la séquence KDEL dans la recapture des protéines résidentes du RE Les protéines chaperonnes résidentes du RE comme BiP ou PDI portent un signal d adressage et de rétention dans le RE situé à l extrémité C-terminale de leur partie protéique : Le motif KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu). Ces protéines sortent du RE et sont transportées vers l Appareil de Golgi pour y parfaire leur maturation.

17 Les Protéines BiP

18 Rôle de la séquence KDEL dans la recapture des protéines résidentes du RE NEUTRE Gradient de ph ACIDE Récepteur ERD Reconnaissance du motif KDEL des protéines résidentes du RE par les récepteurs KDEL. Le retour vers le RE est assuré par transport vésiculaire. La recapture des protéines vers le RE a lieu à plusieurs niveaux de l appareil de Golgi. Dans le RE (où ph neutre), les protéines se dissocient du récepteur KDEL qui est alors envoyé dans l appareil de Golgi pour être réutilisé.

19 Différents type de vésicules vésicules entourées de protéines - COPI: cis-golgi et cisternae >>> REG - COPII: REG >>> cis-golgi - Clathrine: Mb plasmique et trans-golgi (voie sélective) vésicules de sécrétion des voies constitutive et régulée Endosomes Lysosomes peroxysomes

20 vésicules entourées de protéines

21 Formation d un manteau protéique assure la formation des vésicules et la sélection des molécules Endosome CMV

22 Les trois types de manteau des vésicules recouvertes Clatherine Deux types de vésicules : >soit recouvertes de clathrine et destinées à la membrane plasmique (dans le cadre de l'exocytose régulée ou provoquée) aux endosomes ou aux lysosomes. >soit recouvertes de coatomère destiné à la membrane plasmique dans le cadre de l'exocytose constitutive. - COPI - COPII EMDB ID :1511 Vésicule avec COPII. Le manteau COPII.

23 Formation d une vésicule Trans- Golgi Membrane du compartiment Protéines fixant du GTP Protéines récepteur membranaire (ERD par exemple) E,R,G,I,C Protéines cargo soluble Avec signal KDEL RER Proteine v-snare COP I COP II Protéines de «coating» ou coatomére

24 Les vésicules COPI: Coat Protein I : Cis-Golgi vers REG Bourgeonnement puis individualisation de la vésicule après action de la «dynamine» Mécanisme identique pour - COP II : REG vers Cis-Golgi - Catherine

25 Les vésicules à clathrine: MET Chaine lourde Chaine légère EMDB Cage de clathrine ou complexe de clathrine Cryo-électro-microphotographie La clathrine : protéine fibreuse Les molécules de clathrine sont aussi appelées triskelions (grec: trois jambes) ( figure A et B) Polymérisation spontanée pour former des structures «cage» ( figure C)

26 Fusion avec la membrane et polarité du contenu

27 Il existe aussi une polarisation des sécrétions Rôle important de la polarité dans les processus physiologique Vésicule au contenu différents en fonction de leurs destination : apical ou basolatérale Rôle important de l endosome dans cette polarisation et l adressage vésiculaire Cellule épithéliale Exemple : épithélium du tube digestif

28 Modèle de fusion des membranes Dans l'étape finale de l'exocytose, la membrane de la vésicule fusionne avec la membrane plasmique. La fusion de deux bicouches implique des intermédiaires (au niveau du site de contact) qui se développent pour former un canal appelé pore de fusion.

29 Fusion avec la membrane et transport vésiculaire

30 La fusion des vésicules à leur compartiment de destination est contrôlée par des SNAREs et des Rabs spécifiques. les membranes cibles affichent des récepteurs complémentaires qui reconnaissent spécifiquement des marqueurs. Cette étape de reconnaissance est contrôlée par deux classes principales de molécules : - les SNARE - et les protéines G monomériques «Rab».

31 Le complexe SNARE : Catalyseur de la fusion SNARE Les SNARE sont des protéines transmembranaires qui appartiennent à 20 groupes différents chez les cellules animales. La localisation spécifique de différentes SNARE dans un compartiment subcellulaire donné (réticulum endoplasmique, Golgi, lysosome, vacuole, ou membrane plasmique) chez la levure suggère que le système SNARE opère quasiment à tous les niveaux du transport intracellulaire

32 Le complexe SNARE au cœur de la fusion membranaire Vésicule (a) Lors du transport vésiculaire intracellulaire, les protéines SNARE (syntaxine, SNAP-25 et synaptobrévine) constituent des étiquettes qui permettraient la reconnaissance mutuelle et le déclenchement de la (b) fusion entre vésicule et membrane cible SNARE (c)

33 Les SNARE (Soluble NSF Acceptor REceptor) Il en existe deux groupes complémentaires : v-snare t-snare v-snare ( vésicule) situées sur les vésicules (v pour vésicule) ; situées sur les compartiments cibles (t pour target). t-snare ( target = cible) Chaque v-snare interagit spécifiquement avec une t-snare complémentaire pour former un complexe trans-snare qui bloque ensemble les membranes de la vésicule et du compartiment cible.

34 Rôle des SNARE dans l adressage des vésicules Compartiment receveur 1 Fusion Compartiment receveur 2 Arrimage t-snare 1 t-snare 2 Manteau protéique v-snare 1 v-snare 2 Chargement 1 Chargement 2

35 Protéines Rab et groupes SNAR Les protéines Rab contribuent fortement à la spécificité du transport vésiculaire. elles se distribuent spécifiquement sur la face cytosolique des membranes cellulaires. Rab facilite et régule la vitesse de l arrimage vésiculaire et la correspondance entre les v-snare et les t-snare. Comme les protéines G qui contrôlent le recrutement des manteaux (ARF et Sar1), Rab effectue un cycle entre la membrane et le cytosol. Rab-GTP v-snare (Vésicule) Effecteur Rab t-snare (target = cible) Rab-GTP 1: interaction Rab-effecteur 2: interaction v-snare-t-snare Facilite l arrimage Verrouille l arrimage et prépare la fusion

36 Dissociation des SNARE par la NSF après fusion vésicule/membrane NSF = N-ethylmaleimide-Sensitive Factor ADP ATP NSF ARRIMAGE FUSION DISSOCIATION DES SNARE l idée initiale (classique) selon laquelle la NSF, en interagissant avec les SNARE, aurait hydrolysé l ATP et déclenché la fusion membranaire est actuellement rejetée. La NSF agirait plutôt comme une protéine chaperon qui dissocie le complexe SNARE et/ou modifie la conformation des SNARE individuels

37 Point cours Connaître les étapes du transport vésiculaire et les acteurs moléculaires impliqués pour chacune des étapes. Connaître les exemples de l adressage des protéines résidentes du RE ainsi que celle des lysosomes.

38 vésicules de sécrétion des voies constitutive et régulée

39 Lysosomes (du grec lysis, dissolution) Vésicule entourée d une membrane ; contient des enzymes digestives qui dégradent les constituants cellulaires usés ou les matières importées dans la cellule par l endocytose. La structure, le nombre, la taille, le contenu diffèrent d une cellule à l autre et même à l intérieur d une même cellule, selon son état physiologique

40 Origine des lysosomes Les lysosomes résultent de la fusion d une ou plusieurs vésicules de transport et d une vésicule (endosome tardif, phagosome) renfermant des matériaux à dégrader.

41 Classification des lysosomes LYSOSOMES se classent en deux types Isolés Liés lysosomes primaires lysosomes secondaires

42 Lysosomes Ce sont des vésicules qui ne renferment que des enzymes lytiques, limitées par une membrane imperméable qui protège la cellule Vacuoles volumineuses avec un contenu hétérogène selon la nature des substances à digérer et le stade de la digestion

43 Les matériaux à dégrader proviennent de 4 compartiments avec lesquels les lysosomes fusionnent avec : a) Un endosome b) Un Phagosome (provenant de la phagocytose) c) Le cytosol On ne peut pas à proprement parler de «fusion» avec le compartiment cytosolique! Des petits peptides issus de la dégradation dans le protéasome entrent dans le lysosome par des perméases (adressage des séquences d'aa spécifiques). d) Un autophagosome Autophagie est un processus par lequel des composants du cytosol et des organites sont séquestrés par un autophagosome et dégradés par un lysosome. Le lysosome a ainsi une activité de nettoyage et peut débarrasser la cellule de vieilles mitochondries et autres éléments ou organites.

44 Lysosomes LYSOSOMES maturation Phagosomes: Corpuscules résiduels: cytosomes/vacuoles autophagiques: lysosome primaire + vacuole phagocytaire (invagination) proviennent des phagosomes et contenant des résidus non digestibles une zone lysée s entoure d une membrane formant une vacuole dans laquelle se déverse des enzymes lysosomiques

45 AUTOPHAGIE Exocytose HETEROPHAGIE Corps résiduel Phagosome Phagocytose Auto phagosome Lysosomes Endosome Golgi Vésicule de transport des hydrolases Pinocytose RER

46 Caractéristiques des lysosomes 0,2 ~ 0,5 µm Le ph des lysosomes et endosomes est régulé par l ATPase H + (class V) ph~7,2 ph~5,5 HYDROLASES ACIDE: Nucléases Proteases Glycosidases Lipases Phosphatases Sulfatases phospholipases Transporteur de métabolite Le lysosome contient environ cinquante enzymes différentes dont la plupart sont des protéases et qui agissent à un ph optimum de 5,5. ADP ATP Pompe H + CYTOSOL Lysosome

47 Recyclage des métabolites pour la nutrition cellulaire Toutes les familles de molécules biologiques dégradées dans les lysosomes CYTOSOL Sortie dans le cytosol via des perméases Lipides lipases AG Glycérol «bases» Polysaccharides Glycosidases Monosaccharides ARN/ADN Nucléases Nucléotides Phosphatases Nucléosides Protéines Protéases Oligopeptides Peptidases Dipeptides AA LDL cholestérol? Lysosome ph~5,5 ADP ATP

48 Caractéristiques des lysosomes La membrane qui entoure les lysosomes a les caractéristiques suivantes : 1) Elle maintient le système clos et empêche la fuite des enzymes lysosomales dans le cytosol. 2) Elle porte une ATPase à protons qui transporte des ions H + du cytosol vers la lumière lysosomale, ce qui conduit à son acidification. 3) Elle porte des perméases qui permettent : l entrée directe de matériaux à hydrolyser depuis le cytosol vers la lumière lysosomale ; la sortie des produits de l hydrolyse lysosomale depuis la lumière vers le cytosol. 4) Elle est protégée contre son autodigestion par un revêtement glycoprotéique interne composé de LAMP (Lysosome Associated Membrane Protein). Les LAMP sont des marqueurs spécifiques de la membrane lysosomale.

49 1. Voie hétérophagique Rôles physiologiques Substance exogène endocytose Fusion avec lyso I aire Décharge des enzymes Corps résiduels Les substances digérées passent à travers la membrane des lysosomes dans le phagosome peuvent être réutilisées Corps résiduels Rejetés par exocytose conservé

50 Biogénèse des lysosomes primaires: A partir de l Appareil de Golgi: les hydrolases lysosomales sont synthétisés par les ribosomes du RE, transitent par les dictyosomes. Les lysosomes primaires sont des grains de sécrétion golgiens A partir du réticulum endoplasmique lisse: une portion de réticulum endoplasmique lisse située au voisinage de la face de formation des dictyosomes et appelée «GERL» bourgeonne des vésicules qui forment les lysosomes primaires. GERL : Golgi-Endoplasmic Reticulum-Lysosome

51 Mort cellulaire par autophagie C est la digestion intracellulaire de substrats endogènes, elle se fait dans les lysosomes secondaires appelés vacuoles autophagiques L'autophagie peut être sélective (aidée par un chaperon) ou non sélective

52 Mort cellulaire par autophagie vacuole autophagique peut se former par: Repliement d une lame du REL Invagination d un lysosome

53 Point cours Savoir décrire un lysosome et connaître sa composition relative en enzymes lysosomales. Connaître le ph lysosomal. Savoir comment se forme un lysosome (son origine). Connaître les particularités de la membrane lysosomale. Connaître les fonctions des lysosomes.

54 peroxysomes Vésicule entourée d une membrane ; contient des enzymes qui dégradent les lipides et les déchets toxiques. Leur fonction métabolique majeure est la β-oxydation de longues chaînes d'acides gras (supèrieures à 18 carbones) qui, en formant des chaînes plus courtes, alimente la béta β-oxydation mitochondriale. Le nom "peroxysome" est lié à la première étape d'oxydation des acides gras qui se traduit par la formation de peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ).

55 Peroxysomes : rôle Les peroxysomes sont aussi impliqués dans la synthèse de la bile, du cholestérol et dans le métabolisme des acides aminés et des purines Par ailleurs, ils jouent un rôle fondamental dans : le maintien du pouvoir rédox de la cellule la détoxification des radicaux libres, dérivés de l'oxygène : 1. ils sont le siège de réactions d'oxydation qui produisent du peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ) qui est toxique. 2. ils contiennent la catalase qui décompose H 2 O 2 en H 2 O et O 2.

56 Lysosomes et peroxysomes LYSOSOME PEROXYSOME Protéase Sulfatase phosphatase Ribonucléase désoxyribonucléase glycosidase Lipase Observés par Novikoff et isolés par de Duve dans les années 50 Oxydase --H 2 O 2 Catalase H 2 O 2 ---> H 2 O + ½ O 2 0,2 0,5 µm 0,2 1 µm

57 Point cours Connaître les caractéristiques et la localisation des peroxysomes. Connaître les fonctions des peroxysomes au travers de leur matériel enzymatique.

58