L’endocytose

Tous les organismes pluricellulaires sont composés de cellules capables de communiquer entre elles et avec leur environnement. En effet, les cellules peuvent émettre ainsi que recevoir, interpréter et répondre aux signaux émis par leur environnement tels que les hormones, les facteurs de croissance, les neurotransmetteurs. Les protéines présentes à la membrane plasmique, comme par exemple les récepteurs et les canaux ioniques, sont des acteurs importants dans cette communication et dans la régulation de nombreuses voies de signalisation intracellulaires. Par conséquent, la régulation de la présence de ces protéines à la surface des cellules est un processus important pour le maintien de l’homéostasie fonctionnelle et structurale des cellules. Cette régulation se fait par une internalisation, appelée endocytose, et un recyclage de ces protéines membranaires. L’endocytose est un processus permettant d’introduire à l’intérieur de la cellule du matériel extracellulaire ou présent à la surface de la cellule par l’intermédiaire de vésicules dérivées de la membrane plasmique. Cette endocytose est régulée par différents mécanismes qui font intervenir des protéines adaptatrices et des manteaux protéiques distincts en fonction des molécules à internaliser. Ainsi on distingue deux grands types d’endocytose: l’endocytose indépendante de la clathrine et l’endocytose dépendante de la clathrine (Figure 1)(Mayor and Pagano, 2007). L’internalisation de molécules à l’intérieur des cellules se fait par différentes voies d’endocytose. On retrouve l’endocytose dépendante de la clathrine, l’endocytose dépendante des cavéoles, l’endocytose indépendante de la clathrine et des cavéoles (CLIC/GEEC, flotiline, endophiline…) et l’endocytose à grande échelle (phagocytose, macropinocytose) Au cours de ma thèse, je me suis plus principalement intéressée à la voie d’endocytose dépendante de la clathrine (Figure 2).

L’endocytose dépendante de la clathrine

L’endocytose dépendante de la clathrine permet l’internalisation de certains récepteurs dont les récepteurs couplés aux protéines G. Une fois activés, ces récepteurs se concentrent au niveau de puits en formation et lient les protéines adaptatrice et la clathrine. La dynamine et la synaptojanine sont ensuite recrutées et permettent respectivement la fission de la vésicule et le désassemblage du manteau de clathrne

La clathrine

Les vésicules recouvertes de ce manteau ont été découvertes dans les années 1970 et leur composant majeur fut isolé par Pearse et nommé clathrine (Pearse, 1976). Les vésicules recouvertes de clathrine existent dans toutes les cellules eucaryotes, des levures aux mammifères (Mueller and Branton, 1984). La clathrine est une protéine composée d’un trimère de chaînes lourdes chacune associée à une chaîne légère et nommé triskèle (Figure 3A) (Kirchhausen, 2000; Ungewickell and Branton, 1981). Les chaines lourdes possèdent un poids moléculaire de 190kDa et leur séquence est très conservée parmi les espèces (Keen, 1990). Elles se décomposent en 5 domaines dont un domaine N-terminal globulaire, un domaine courbé nommé «genou» qui sépare la partie distale et proximale et une extrémité C-terminale (Figure 3B) (Fotin et al., 2004). Les extrémités C-terminales de chacune des chaines lourdes se regroupent dans une région centrale pour former le triskèle. Chaque chaine lourde est en complexe, au niveau de son domaine proximal, avec une des chaines légères de 25kDa, LCa ou LCb codées par des gènes différents. Les chaines légères se décomposent en 3 domaines: un domaine conservé C-terminal séparé du domaine N-terminal par le domaine central en α hélice. Les triskèles de clathrine s’associent entre eux, par l’intermédiaire des jambes proximales et distales, permettant la formation de cages nécessaires à la déformation de la membrane plasmique (Figure 3C). Ce processus est hautement dynamique et va conduire à la formation d’invagination de la membrane plasmique de forme bulbaire et possédant un diamètre compris entre 80 et 100nm (Figure 4)

Les protéines adaptatrices

Les protéines adaptatrices lient les cargos destinés à être internalisés pour les concentrer au sein des vésicules. Il existe deux types majeurs de complexe adaptateur à la clathrine: les complexes hétérotétramériques de protéines adaptatrices AP et la protéine monomérique GGA (Golgi-localising, Gamma-adaptin ear domain homology, ARF-binding proteins). La famille des AP est composée de quatre protéines différentes : AP-1, AP-2, AP-3 et AP-4. Les 4 isoformes de la famille AP sont composés d’une grande sous-unité β, d’une sous-unité variable, d’une sous unité intermédiaire μ et d’une petite sous-unité ζ. 10 La famille des AP est composée de quatre protéines différentes : AP-1, AP-2, AP-3 et AP-4. Elles sont formées des complexes hétérotétramériques d’environ 300kDa composés de deux grandes sous-unités (~100 kDa): une sous-unité β et une sous-unité variable (γ pour AP-1, α pour AP-2, δ pour AP-3 et ε pour AP-4); d’une sous-unité intermédiaire μ (~50 kDa) et d’une petite sous-unité ζ (~17 kDa) (Figure 5). L’ensemble de ces protéines possède une structure commune qui consiste en un large corps et deux charnières flexibles aboutissant à deux « oreilles » carboxy-terminale (Collins et al., 2002). Les protéines AP-1 et AP-2 sont les premières à avoir été découvertes. Elles sont toutes les deux présentes dans les puits recouverts de clathrine, au niveau du TGN (Trans-Golgi-Network) et des endosomes pour AP1 et au niveau de la membrane plasmique pour AP-2. Les protéines AP-3 et AP-4 possèdent la même localisation que le complexe AP-1 mais ne sont pas retrouvées au niveau des puits recouverts de clathrine (Robinson and Bonifacino, 2001). Des expériences ont également mis en évidence que les protéines AP-1 et AP-2 possèdent au niveau de leurs sous unités µ des sites de reconnaissance pour les motifs YXX et NXX ( étant un résidu hydrophobe), présent au niveau de l’extrémité C-terminale des protéines membranaires empruntant la voie clathrine (Traub, 2009). De plus, elles possèdent également des sites de reconnaissances pour les phosphoinositides. AP-1 interagit directement avec le PI(4)P (PhosphatidylInositol-4-Phospate) (Wang et al., 2003) et AP-2 interagit lui avec le PI(4,5)P2 (PhosphatidylInositol-4,5-diPhospate) (Rohde et al., 2002). Ces protéines possèdent également au niveau de leur charnière des sites de liaison pour le domaine terminal de la chaine lourde de la clathrine. Leurs « oreilles » sont capables de lier des protéines accessoires qui vont permettre de réguler la formation du puits recouvert de clathrine, telle que l’auxiline (Owen et al., 1999).

La dynamine

Après la formation du puits d’endocytose recouvert du complexe AP-2/clathrine, la vésicule va devoir se dissocier de la membrane plasmique afin d’être internalisée. La première protéine à avoir été décrite comme impliquée dans le mécanisme de fission membranaire fut la dynamine (Damke et al., 1994; van der Bliek et al., 1993). La dynamine est une protéine de 100kDa possèdant une activité GTPasique. Il existe 3 gènes de cette protéine chez les mammifères Dyn1, Dyn2, et Dyn3 codant pour une multitude de variants d’épissage. La dynamine 1 est majoritairement exprimée au niveau des neurones (Ferguson et al., 2007), la dynamine 3 est retrouvée au niveau des testicules (Vaid et al., 2007) alors que la dynamine 2 est quant à elle ubiquitaire (Warnock et al., 1997). La dynamine est composée d’un domaine liant le GTP en N-terminal, un domaine PH (Pleckstrin Homology) capable de lier les phospholipides (Salim et al., 1996) et d’un domaine C-terminal. Ce dernier comporte un domaine GED (GTPase Enhancing Domain), capable de se lier au domaine N-terminal et de stimuler son activité GTPase intrinsèque (Muhlberg et al., 1997), et un domaine riche en proline (PRD) capable de lier la majorité des partenaires de la dynamine (Ringstad et al., 1997). Il existe également une dynamine impliquée dans la fission des mitochondries. Cette protéine est appelée Dnm1 (Dynamin-related 1) chez les levures (Bleazard et al., 1999) et Drp1 (Dynamin-related protein 1) chez les mammifères (Imoto et al., 1998; Shin et al., 1997; Smirnova et al., 1998). Les dynamines mitochondriales partagent la même structure à l’exception du domaine riche en proline qui est absent et du domaine PH qui est remplacé 13 par une séquence appelée Insert B (Figure 7A). La dynamine va se polymériser autour du cou de la vésicule et permettre, de par son activité GTPasique, la fusion des membranes et la scission de la vésicule (Figure 7B) (Morlot and Roux, 2013).