20

LES COMPARTIMENTS DES CELLULES EUCARYOTES

Contrairement aux bactéries, les cellules eucaryotes sont organisées en

compartiments limités par une membrane et fonctionnellement distincts. Les

protéines jouent un rôle essentiel dans la compartimentation d'une cellule eucaryote.

Elles catalysent les réactions qui se produisent dans chaque compartiment (organite).

Elles servent aussi de marqueurs spécifiques de l'organite. La synthèse des protéines

commence dans le cytosol, puis chaque molécule néo synthétisée est ensuite

transmise spécifiquement au compartiment cellulaire qui en a besoin.

I. Généralités.

A. Les différents compartiments des cellules eucaryotes.

Les principaux compartiments des cellules eucaryotes sont les suivants (Figure 1) :

- le noyau, qui contient le génome et où se déroule la synthèse de l'ADN et de

l'ARN ;

- le cytoplasme, qui l'entoure, est composé du cytosol et des organites

cytoplasmiques qui y sont en suspension ;

- le cytosol représente environ la moitié du volume total de la cellule ; il est le site

de la synthèse des protéines et du métabolisme cellulaire intermédiaire ;

- le réticulum endoplasmique constitue un espace labyrinthique limité par une

membrane, dont la surface représente environ 50 % de la surface membranaire totale

de la cellule. Des ribosomes peuvent être liés à la surface cytosolique du réticulum

endoplasmique ; ces ribosomes interviennent dans la synthèse des protéines

membranaires et solubles (présentes dans la lumière des différents organites ou

destinées à être sécrétées) ;

- l'appareil de Golgi est composé d'un empilement d'organites en forme de

disques appelés saccules. Il intervient dans la maturation des protéines et des lipides

provenant du réticulum endoplasmique ;

- les mitochondries sont responsables de la production d'énergie ;

21

- les lysosomes sont des organites riches en enzymes hydrolytiques qui

dégradent les organites intracellulaires arrivés au terme de leur vie ainsi que les

molécules prélevées dans le milieu extracellulaire par endocytose ;

- les peroxysomes sont de petits organites vésiculaires utilisés pour un certain

nombre de réactions oxydatives ;

- la cellule contient également de nombreuses vésicules qui servent de

transporteurs entre les organites ou qui communiquent avec la membrane plasmique

lors du processus d'endocytose ou d'exocytose.

Compartiments intracellulaires

(hépatocyte)

% du volume

total de la cellule

Nombre /

cellule

Cytosol

Mitochondries

Réticulum endoplasmique rugueux

Réticulum endoplasm. lisse + Golgi

Noyau

Peroxysomes

Lysosomes

Endosomes

54

22

9

6

6

1

1

1

1

1700

1

1

1

400

300

200

22

B. Etude de la circulation protéique intracellulaire par autoradiographie.

Cette méthode a été développée dans les années 60 pour étudier la voie que

suivent les protéines sécrétées par les cellules du pancréas dans le milieu

extracellulaire. L'avantage de cette cellule est que la plus grande partie des protéines

synthétisées est destinée à l'exportation dans le milieu extracellulaire (amylase,

lipase, désoxyribonucléase, trypsinogène, chymotrypsinogène).

Le principe de la méthode est le suivant : les cellules sont brièvement incubées en

présence d'un acide aminé radioactif (tritium : 3H) qui est éliminé par lavage. Ainsi,

après lavage, la seule radioactivité qui reste dans les cellules est celle qui a été

incorporée dans les protéines nouvellement synthétisées durant la période

d'exposition à l'isotope. Les cellules sont ensuite incubées pendant des temps variés,

puis fixées et enfin recouvertes d'une émulsion photographique. La désintégration

du tritium active les grains d'argent qui vont apparaître sous la forme de points

noirs, visibles en microscopie électronique. Ainsi, en fonction du temps, les grains

d'argent activés apparaissent successivement :

- sur le réticulum endoplasmique à 3 min,

- sur l'appareil de Golgi à 20 min,

- dans des vésicules de sécrétion immatures de taille importante situées près du

Golgi à 90 min,

- et enfin dans des vésicules de sécrétion matures où les protéines sont

concentrées.

Figure 1.

23

De nombreuses protéines sécrétées dans le milieu extracellulaire ont été étudiées

sur d'autres types cellulaires où elles suivent toutes une voie identique :

ribosome ⇒⇒⇒⇒ réticulum endoplasm. ⇒⇒⇒⇒ Golgi ⇒⇒⇒⇒ vésicule secrétoire

⇒⇒⇒⇒ milieu extracellulaire.

C. Les différentes voies de la circulation protéique.

Toutes les protéines prennent naissance sur les ribosomes du cytosol et, de là, sont

dirigées vers 2 embranchements principaux (Figure 2).

Dans le premier embranchement, les protéines sont initialement libérées dans le

cytosol après leur synthèse. La majorité de ces protéines va rester dans le cytosol,

tandis que d'autres sont exportées vers les mitochondries, le noyau ou les

peroxysomes. Le passage des protéines au travers de la membrane des

mitochondries ou des peroxysomes se fait grâce à une protéine membranaire de

translocation. Le passage des protéines dans le noyau se fait, quant à lui, au travers

de pores nucléaires qui ont une perméabilité sélective.

Dans le deuxième embranchement, les protéines sont initialement transférées dans

le réticulum endoplasmique. Le transfert de ces protéines dans le réticulum

Figure 2.

24

endoplasmique se fait après fixation, sur le réticulum, des ribosomes qui synthétisent

ces protéines. La translocation nécessite une protéine de transport. Les protéines

transloquées peuvent rester dans le réticulum endoplasmique, ou bien être dirigées

vers l'appareil de Golgi. Dans l'appareil de Golgi, les protéines peuvent là encore

rester dans ce compartiment, ou être dirigées soit vers les lysosomes, soit vers la

membrane plasmique.

Le transfert des protéines à partir du réticulum vers les autres organites (Golgi,

lysosomes) et la membrane plasmique se fait par l'intermédiaire de vésicules de

transport. Il en est de même en ce qui concerne le transport des protéines d'un

saccule golgien à un autre. Dans ce type de transport, les vésicules se forment par

bourgeonnement du compartiment donneur. Au cours de ce processus, les vésicules

ainsi formées s'emparent du matériel présent dans le compartiment donneur et le

libèrent dans le compartiment cible, après fusion de la membrane vésiculaire avec

celle du compartiment cible (Figure 3).

Dans un organite donné, les protéines peuvent se trouver sous forme soluble dans

la lumière du compartiment, ou bien être intégrées dans sa membrane. Dans un

Figure 3.

25

transport de type vésiculaire : les protéines sécrétées dans le milieu extracellulaire et

celles présentes dans la lumière des saccules golgiens ou des lysosomes proviennent

à l'origine de protéines libérées dans la lumière du réticulum endoplasmique ; les

protéines intégrées dans la membrane de ces organites (Golgi, lysosomes), ou dans la

membrane plasmique, proviennent de protéines ancrées dans la membrane du

réticulum endoplasmique.

Le tri des protéines vers les différents embranchements doit être parfaitement

sélectif. Le mécanisme de tri est complexe et dépend en partie de signaux de tri (ou

d'adressage) présents dans les protéines, qui sont reconnus par des protéines

réceptrices spécifiques. Une protéine à destinée nucléaire possède un signal de tri qui

est reconnu par une protéine réceptrice associée au complexe du pore nucléaire. Une

protéine qui doit être transférée au travers d'une membrane possède un signal

d'adressage qui est reconnu par une protéine de translocation située dans la

membrane. Enfin, les protéines qui doivent être retenues dans certains organites ou

encore être transportées dans des vésicules de transport possèdent également des

signaux de tri spécifiques reconnus par des protéines membranaires.

D. Les signaux de tri.

On distingue 2 types de signaux de tri, les peptides signal et les régions signal.

1. Les peptides signal (Figure 4).

Ils sont constitués d'une séquence continue d'acides aminés (15 à 60 résidus).

Lorsque le processus de tri est terminé, ces peptides signal sont le plus souvent clivés

de la protéine mature par une signal peptidase. Les peptides signal sont utilisés pour

le transport des protéines du cytosol vers le réticulum endoplasmique, les

mitochondries, les peroxysomes et le noyau, et sont aussi impliqués dans la rétention

des protéines dans le réticulum endoplasmique.

Séquences typiques de peptides signal :

- Importation dans le réticulum endoplasmique : peptide situé à l'extrémité amino-

terminale de la protéine, comportant une séquence centrale de 5 à 10 acides aminés

hydrophobes.

26

Segments contribuant à la région signal

- Maintien dans le réticulum endoplasmique : séquence de 4 acides aminés

spécifiques à l'extrémité carboxy-terminale de la protéine.

- Importation dans la matrice mitochondriale : peptides signal situés à l'extrémité

amino-terminale de la protéine, possédant des acides aminés chargés positivement

(Lys, Arg) et alternant avec des acides aminés hydrophobes.

- Importation dans le noyau : séquence d'acides aminés chargés positivement au

sein de la protéine.

L'importance de ces peptides signal a été démontrée par des expériences de

recombinaison génétique, à l'aide de protéines de fusion . En effet, si l'on place le

peptide signal d'importation dans le réticulum endoplasmique à l'extrémité amino-

terminale d'une protéine cytosolique, on observe que cette protéine est

alors transportée dans le réticulum endoplasmique.

2. Les régions signal (Figure 4).

Elles correspondent à un arrangement tridimensionnel particulier de la molécule.

Les acides aminés qui forment une région signal peuvent être très distants les uns des

autres sur la molécule déployée. De telles régions signal sont impliquées dans le

transport des protéines du Golgi vers les lysosomes.

E. Un exemple de mécanisme de tri : le transport des protéines vers les

mitochondries.

Chez l’homme, 13 protéines seulement sont codées par le génome mitochondrial.

La majorité des protéines mitochondriales (1000 à 1500) est codée dans l’ADN du

Figure 4.

27

noyau, synthétisée sous forme précurseur dans le cytosol et acheminée en 1 à 2 min

dans la mitochondrie. L’importation des protéines mitochondriales est donc post-

traductionnelle. Ces protéines ont plusieurs localisations finales : la membrane

mitochondriale externe (MME), l’espace intermembranaire, la membrane

mitochondriale interne (MMI) ou la matrice mitochondriale. Elles ont un signal

d’adressage différent selon leur localisation dans la mitochondrie. Le mieux connu

est le peptide signal des protéines destinées à la matrice mitochondriale ou de

certaines protéines ancrées dans la MMI qui est constitué d’acides aminés chargés

positivement (Lys, Arg) alternant avec des acides aminés hydrophobes et situé à

l’extrémité amino-terminale de la protéine. Beaucoup de protéines destinées à la

mitochondrie comporte un peptide signal interne à la molécule.

Le processus d'importation des protéines mitochondriales comporte plusieurs

étapes (Figure 5). 1) La protéine mitochondriale nouvellement synthétisée s'associe

rapidement à des protéines de choc thermique cytosoliques (famille hsp 70). Les

protéines de choc thermique (également appelées hsp = heat shock protein ou

protéines chaperonnes) sont généralement impliquées dans le contrôle de la

conformation, c'est à dire de l'état de repliement des protéines auxquelles elles

s'associent. Leur association aux protéines mitochondriales permet le maintien de

celles-ci dans une conformation dépliée qui facilite leur transport dans la

mitochondrie au travers des systèmes de translocation. 2) Toutes les protéines

mitochondriales codées dans l’ADN nucléaire se fixent par leur signal d’adressage à

un récepteur spécifique situé dans la MME, intégré dans le complexe protéique

TOM (Translocator of Outer Membrane). TOM participe à la translocation de toutes

les protéines dans la mitochondrie et assure l’insertion des protéines

transmembranaires de la MME, avec, pour certaines d’entre elles, l’intervention d’un

deuxième complexe protéique de la MME, SAM. 3) Lors de leur translocation, les

protéines se dissocient des protéines chaperonnes cytosoliques par un processus qui

nécessite l'hydrolyse de l'ATP. 4) La translocation des précurseurs protéiques dans la

matrice mitochondriale s’effectue grâce au complexe protéique TIM23 (Translocator

of Inner Membrane) présent dans la MMI. Le transfert de la protéine au travers de la

28

membrane mitochondriale interne (complexe TIM23) fait intervenir le gradient

électrochimique d’ions H+ et les protéines hsp 70 mitochondriales. Ces protéines

chaperonnes sont liées à TIM23, se fixent sur la protéine dès son apparition dans la

matrice et participent à son entrée dans la matrice mitochondriale grâce à l’énergie

fournie par l’hydrolyse de l’ATP. Dans la matrice, une signal peptidase clive le

peptide signal amino-terminal, libérant une protéine mature. La protéine

mitochondriale s'associe immédiatement à d'autres protéines chaperonnes (hsp 60)

qui la maintiennent dans une conformation adéquate permettant d'assurer leur

insertion dans les complexes multiprotéiques du cycle de Krebs situés dans la

matrice. 5) L’insertion des protéines dans la MMI fait intervenir le complexe

protéique TIM22 ou le complexe TIM23. Les protéines de la MMI qui utilisent

TIM23 pour leur insertion ont, après le peptide signal amino-terminal d’importation

vers la matrice, une séquence d’acides aminés hydrophobes qui interrompt leur

transfert au travers de TIM23. Le reste de la molécule passe dans l’espace

intermembranaire et le peptide signal amino-terminal est clivé. La séquence

hydrophobe sort alors de TIM23 et ancre la protéine dans la MMI. Si ce second

peptide hydrophobe est clivé, la protéine est alors libérée en totalité dans l’espace

intermembranaire. 6) Le complexe OXA est principalement utilisé pour ancrer les

protéines synthétisées dans la mitochondrie dans la MMI.

II. Le cytosol.

Le cytosol occupe la moitié environ du volume de la cellule. Il est le siège du

métabolisme intermédiaire (cf. cours de Biochimie) et contient les ribosomes qui sont

responsables de la synthèse des protéines.

A. Composition.

Le cytosol est très riche en eau (85 %). Il contient un grand nombre de molécules

(sucres, acides aminés, acides gras...) de provenance diverse : i) captées du milieu

extracellulaire par diffusion passive ou grâce à des perméases ; ii) issues de la

digestion dans les lysosomes de macromolécules endocytées ou phagocytées ; iii)

provenant du métabolisme qui se déroule dans le cytosol. Certaines molécules sont

29

Figure 5.

stockées dans le cytosol : les sucres sous forme de glycogène, les lipides sous forme

d'inclusions lipidiques. Le cytosol contient de nombreux filaments protéiques

organisés en filaments qui forment le cytosquelette. Le cytosquelette donne sa forme

à la cellule et permet des mouvements cytoplasmiques cohérents.

B. Propriétés.

Les protéines représentent 20 % du poids du cytosol et sont liées les unes aux

autres par des forces d'intensité variable. Pour cette raison, le cytosol a une

consistance hétérogène, fluide ou gélatineuse. Toutefois, il a été montré que les

petites molécules et les petites protéines diffusaient dans le cytosol presque aussi

rapidement que dans l'eau pure. En revanche, les grosses particules, comme les

vésicules, diffusent très lentement, notamment parce qu'elles entrent en collision

avec les éléments du cytosquelette. Par conséquent, pour se déplacer à des vitesses

utiles, les particules sont transportées activement par des protéines motrices

associées au cytosquelette.

30

C. Principales fonctions.

1. De nombreuses voies métaboliques débutent dans le cytosol pour se

terminer dans d'autres compartiments après adressage des métabolites.

2. Le cytosol joue un rôle essentiel dans le métabolisme des glucides (cf

cours de biochimie) par la voie de la glycolyse à partir du glucose, celle des pentoses

et de la synthèse de glycogène à partir du glucose-6-phosphate. Par la glycolyse qui

produit de l'ATP, le cytosol est avec la mitochondrie l'un des 2 sites de production

d'énergie.

3. La synthèse protéique se déroule dans le cytosol à l'exception de

certaines protéines mitochondriales (cf. cours de Biochimie). La synthèse protéique

s'effectue par traduction de la molécule d'ARN messager au niveau d'un ribosome.

Chez les eucaryotes, plusieurs ribosomes peuvent être fixés sur un même ARNm

pour former un polysome (ou polyribosome) permettant la synthèse de plusieurs

copies du même polypeptide. Des facteurs présents dans le cytosol reconnaissent les

signaux de tri présents sur certaines protéines et interviennent dans leur orientation

vers leur destination finale.

Exemples : la SRP (Signal Recognition Particle) intervient dans l'adressage des

protéines destinées au réticulum endoplasmique (cf. paragraphe III) ; la NLSBP

(Nuclear Localization Signal Binding Protein) se lie au signal peptide d'adressage au

noyau et permet la traversée des pores nucléaires.

4. Devenir des protéines cytosoliques.

a) Modifications post-traductionnelles.

Les protéines cytosoliques subissent fréquemment des modifications post-

traductionnelles :

31

- modifications permanentes, nécessaires à l'activité, telles que la liaison à un

coenzyme ;

- modifications transitoires, qui permettent de réguler l'activité de nombreuses

protéines (phosphorylation, méthylation, acétylation). Les réactions de

phosphorylation ou de déphosphorylation sont très fréquentes et concernent près de

10 % des protéines animales ;

- les glycosylations sont rares par comparaison aux protéines exportées vers le

réticulum endoplasmique. Elles consistent seulement en l'addition d'une seule

molécule de N-acétylglucosamine à une protéine occasionnelle.

b) Liaison à la face cytoplasmique des membranes par une

chaine d'acide gras.

Certaines protéines cytoplasmiques sélectionnées sont dirigées vers les

membranes, et se fixent de façon covalente à un acide gras (acide palmitique, acide

myristique...) de la monocouche cytoplasmique de la membrane. Ces modifications

sont dues à des enzymes qui reconnaissent un signal peptide spécifique. L'ancrage

aux membranes est indispensable aux fonctions biologiques des protéines ainsi

modifiées. Certaines protéines s’ancrent dans la membrane plasmique après addition

d’un groupement prényl.

Exemples : membrane plasmique : l'ankyrine et les protéines G trimériques, la

protéine Ras ; face nucléoplasmique de l'enveloppe nucléaire : l'une des lamines.

c) Dégradation des protéines par les protéasomes.

- Protéines cytosoliques normales. La majorité des protéines cytosoliques a une

durée de vie assez longue, de plusieurs jours. D'autres sont programmées pour être

rapidement détruites après leur synthèse. C'est le cas notamment des protéines

régulant la progression dans le cycle cellulaire. Ces protéines programmées pour être

rapidement détruites portent des signaux reconnus par un système protéolytique.

L'un de ces signaux est constitué par la nature du premier acide aminé amino-

terminal de la chaîne polypeptidique. Met, Ser, thr, Ala, Val, Cys, Gly et Pro sont

stabilisants (demi-vie protéique > 20 h), alors que les 12 autres acides aminés sont

responsables d'une dégradation rapide de la protéine (demi-vie de 2 à 10 min).

32

D'autres signaux de destruction ont été identifiés. Ainsi, certains enchaînements

d'acides aminés raccourcissent la durée de vie des protéines qui les portent. A titre

d'exemple, les cyclines, des protéines impliquées dans la progression du cycle

cellulaire, portent une séquence de 9 acides aminés appelée boite de dégradation (D-

box). La dégradation des protéines peut être constitutionnelle ou conditionnelle

(régulée) après démasquage d’un signal de dégradation : dans ce dernier cas, divers

mécanismes régulateurs existent : phosphorylation de la protéine ou coupure

protéolytique permettant soit le démasquage d’une boîte de dégradation, soit

l’apparition en position N-terminale (après coupure) d’un acide aminé déstabilisant.

Chez les eucaryotes, le système protéolytique responsable de la dégradation sélective

des protéines cytosoliques fait intervenir une protéine chaperonne, l'ubiquitine. Le

mécanisme de liaison des molécules d’ubiquitine fait intervenir une enzyme E1

responsable de l’activation d’une molécule d’ubiquitine (en présence d’ATP) et le

complexe E2-E3 (appelé ubiquitine ligase) permettant la fixation covalente de la

molécule d’ubiquitine activée sur la protéine à dégrader (Figure 6). Comme le

processus se répète, plusieurs molécules d’ubiquitine vont former une chaîne fixée

sur la protéine. Il existe environ une trentaine d’enzymes E2 similaires mais

distinctes et des centaines de molécules E3, permettant ainsi la destruction de

protéines aux signaux très variés. Les protéines portant une chaîne d’ubiquitine sont

alors reconnues par le protéasome qui est responsable de la dégradation de la

protéine. De multiples copies du protéasome existent dans le cytosol et aussi dans le

noyau. Le protéasome est constitué d’un cylindre creux fait de sous-unités protéiques

dont certaines sont des protéases dont le site catalytique est orienté vers l’intérieur

du cylindre. A chaque extrémité du cylindre se trouve un large complexe protéique

dont le rôle est de reconnaître les protéines marquées par un chaîne d’ubiquitine, de

les dérouler et de les insérer dans le cylindre afin qu’elles soient dégradées. Ce

processus nécessite de l’ATP et se fait à pH neutre. Les produits de l'hydrolyse

partielle par le protéasome ont plusieurs destinations possibles :

- le compartiment lysosomal via des perméases spécifiques, où leur dégradation

sera achevée ;

33

- le cytosol : dans ce cas, des exopeptidases cytosoliques achèvent la dégradation

des peptides ;

- la lumière du réticulum endoplasmique granulaire via des transporteurs

spécifiques présents dans la membrane du réticulum. Ces petits peptides (une

dizaine d’acides aminés) se lient alors à des protéines transmembranaires, les

complexes majeurs d'histocompatibilité de type I (CMH I). Les CMH I liés aux

peptides sont transportés vers la membrane plasmique où le peptide antigénique est

présenté au lymphocytes T de type CD8 (cf. cours d'immunologie).

Figure 6.

- Protéines anormales. Le protéasome dégrade également des protéines

cytosoliques anormales, soit du fait d’erreur lors de leur synthèse ou de l’oxydation

secondaires de certains acides aminés, ou des protéines adressées au réticulum

endoplasmique et reconnues comme anormales (cf. chapitre réticulum

endoplasmique).

III. Le réticulum endoplasmique.

Le réticulum endoplasmique (RE) est un espace labyrinthique limité par une

membrane, et s'étendant dans tout le cytoplasme de la cellule (Figure 7). Cet espace

aux multiples circonvolutions est appelé lumière du RE ou citerne du RE. Il occupe

34

souvent plus de 10 % du volume cellulaire. Il est en continuité avec l'enveloppe

nucléaire. Le RE joue un rôle essentiel dans la biosynthèse cellulaire des protéines et

des lipides.

Figure 7.

A. Le réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire.

Le RE capte de façon sélective certaines protéines cytosoliques, dès qu'elles sont

synthétisées. On distingue 2 types de protéines :

- les protéines trans-membranaires qui sont enchassées dans la membrane du RE

et dont certaines seront acheminées vers la membrane plasmique ou celle du Golgi

ou des lysosomes ;

- les protéines solubles qui sont entièrement transloquées à travers la membrane

du RE et libérées dans sa lumière ; ces protéines seront destinées à la lumière d'un

organite en aval du réticulum dans le flux vectoriel, à la sécrétion dans le milieu

extracellulaire, ou à l'ancrage à la face externe de la membrane plasmique sous forme

de protéines extrinsèques.

Dans les cellules de mammifères, l'importation de la plupart des protéines dans le

RE commence avant que la chaîne polypeptidique ne soit entièrement synthétisée

35

(importation co-traductionnelle). De ce fait, des ribosomes sont liés à la membrane

du RE sur son versant cytosolique. Ces régions du RE liées à des ribosomes portent le

nom de réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire.

Dans le cytoplasme, il existe donc 2 types de ribosomes (Figure 8) :

- les ribosomes liés à la membrane du RE,

- les ribosomes libres qui fabriquent les protéines cytosoliques, dont certaines sont

acheminées vers les mitochondries, le noyau ou les peroxysomes.

Les 2 types de ribosomes sont identiques. L'attachement d'un ribosome au RE

dépend de la nature de la protéine synthétisée, et notamment de l'existence d'un

peptide signal d'importation dans le RE. Le RE rugueux est situé près du noyau et sa

membrane est en continuité avec l'enveloppe du noyau.

Figure 8.

B. Réticulum endoplasmique lisse.

Le RE lisse correspond aux régions du RE dépouvues de ribosomes (Figure 7). La

grande majorité des cellules contient peu de véritable RE lisse. Au lieu de cela, une

petite région du RE est partiellement rugueuse et partiellement lisse, et c'est au

niveau des régions de RE lisse que les vésicules de transport bourgeonnent pour se

diriger vers l'appareil de Golgi. Dans ce cas, ce réticulum s’appelle aussi réticulum

transitionnel. A l’inverse, dans certaines cellules, le RE lisse est abondant et

36

correspond à une véritable entité anatomique ; dans ces cellules, le RE lisse a des

fonctions spécialisées :

- cellules responsables de la synthèse des hormones stéroïdes, où le RE lisse

participe à la synthèse du cholestérol et à sa transformation en hormones.

- l'hépatocyte (principale cellule du foie), où le RE lisse est le site principal de

production des particules lipoprotéiques destinées à l'exportation. De plus, dans

l'hépatocyte, le RE lisse est le siège d'enzymes métabolisant les médicaments (famille

des cytochromes P450), les rendant plus hydrosolubles, avant leur élimination dans

la bile ou l'urine.

- les cellules musculaires, où le RE lisse est appelé réticulum sarcoplasmique. Le

réticulum sarcoplasmique est capable de complexer les ions Ca++ ou de les libérer

dans le cytosol, et, pour cette raison, joue un rôle essentiel dans la contraction

musculaire.

C. Méthodes d'isolement du réticulum endoplasmique.

La fonction du RE ne peut être étudiée que si les membranes du RE sont séparées

des autres constituants cellulaires. Pour cela, il est nécessaire de faire éclater les

cellules et de les homogénéiser. Au cours de l'homogénéisation, le RE est fragmenté

en petites vésicules fermées, appelées microsomes, qui sont relativement faciles à

purifier (Figure 9).

Figure 9.

37

On distingue 2 types de microsomes :

- les microsomes rugueux, qui sont recouverts de ribosomes sur leur surface

externe, et dont l'intérieur à une composition biochimique identique à celle de la

lumière du RE ;

- les microsomes lisses, qui proviennent en partie du RE lisse, et en partie de

fragments vésiculés de la membrane plasmique, de l'appareil de Golgi, des

endosomes, et des mitochondries. L'hépatocyte est une exception, car du fait de

l'abondance du RE lisse dans cette cellule, la majorité des microsomes lisses provient

du RE lisse.

En raison des grandes quantités d'ARN qu'ils contiennent, les microsomes rugueux

sont plus denses que les microsomes lisses. Ils peuvent donc être séparés par

centrifugation dans un gradient continu de densité (Figure 10).

D. Rôle du réticulum endoplasmique.

1. Transport et maturation des protéines.

a) Mécanisme d'importation co-traductionnelle des protéines

dans le RE.

Les protéines importées dans le RE comportent un peptide signal composé

d'acides aminés hydrophobes à leur extrémité aminée (la première synthétisée). Le

transfert dans le RE comporte plusieurs étapes (Figure 10) :

- Une particule de reconnaissance du signal (SRP) se fixe sur le peptide signal qui

émerge du ribosome libre dans le cytosol. La SRP est une ribonucléo-protéine

cytosolique constituée de 6 chaînes polypeptidiques et d'une molécule d'ARN et

possède une activité d'hydrolyse du GTP (activité GTPasique). L'une de ses

extrémités possède un site de fixation sur le peptide signal, tandis que l'autre se fixe

sur le ribosome, ce qui a pour effet d'interrompre temporairement la traduction de

l'ARNm.

38

- La SRP se fixe sur un récepteur appelé protéine d'ancrage ou récepteur de la

SRP, exposé à la face cytosolique de la membrane du RE rugueux et qui possède une

activité d'hydrolyse du GTP.

- Le récepteur de la SRP permet de positionner le complexe SRP-grosse sous-unité

ribosomale sur un complexe protéique voisin, le translocon (complexe Sec61), qui

constitue un pore aqueux entre le cytosol et la lumière du RE, et dont le versant

luminal est fermé. En fin de positionnement, la SRP se détache du peptide signal, la

synthèse de la protéine redémarre et la chaîne peptidique naissante s’insère dans la

lumière du translocon dont l’extrémité cytosolique est obturée par la grosse sous-

unité ribosomale ; la SRP se sépare de son récepteur.

- La fixation du peptide signal sur un site spécifique du translocon est responsable

de l’ouverture de ce pore du côté luminal.

- La progression de la chaîne protéique au travers du dispositif de translocation

fait probablement intervenir, d'une part l'allongement de la chaîne protéique en

cours de synthèse, et d'autre part des molécules chaperonnes localisées dans la

lumière du RE, en particulier la BiP (Binding Protein), qui "tirent" le peptide en cours

de synthèse.

Figure 10.

39

b) Mécanisme de libération des protéines solubles dans la lumière

du RE.

Dans le cas des protéines solubles libérées dans la lumière du RE, le peptide

signal reste ancré dans le translocon alors que la protéine s’enfile de façon continue

dans la lumière du RE, sous forme d'une boucle. Le signal peptide est clivé par une

signal peptidase liée à la face luminale de la membrane du RE et la protéine est

libérée dans la lumière du RE (Figure 11) où elle prend sa conformation définitive

sous l'action de protéines chaperonnes. Le signal peptide clivé sort latéralement du

translocon (par une ouverture latérale) dans la membrane du RE où il est dégradé

localement par d’autres protéases.

Figure 11.

c) Mécanismes d'insertion des protéines dans la membrane du RE.

Le processus de translocation des protéines membranaires intrinsèques est plus

complexe que celui des protéines solubles car :

- certaines parties de la protéine ne sont pas transloquées,

- certaines protéines transmembranaires traversent plusieurs fois la double couche

lipidique,

40

- l'extrémité amino-terminale de la protéine peut être située du côté cytosolique ou

dans la lumière du RE.

Nous décrirons 3 mécanismes d’insertion de protéines à traversée unique dans la

membrane du RE.

- Premier mécanisme. La translocation est initiée par un peptide signal amino-

terminal qui s’ancre dans le translocon. Un second peptide hydrophobe, appelé

peptide de terminaison de transfert, situé dans la protéine, interrompt la

translocation avant qu'elle ne soit terminée. Après clivage du peptide signal amino-

terminal, ce peptide de terminaison de transfert sert de point d'ancrage de la protéine

dans le translocon puis dans la membrane du RE. La protéine trans-membranaire est

à traversée unique et son extrémité amino-terminale est située du côté luminal du RE

(Figure 12).

- Dans les deux autres mécanismes, le peptide signal est plus interne dans la

protéine. Ce signal est également reconnu par la SRP et s’insère dans le translocon. Il

n’est pas clivé et sert donc d’ancrage de la protéine dans la membrane du RE. Selon

l’orientation du peptide signal dans le translocon, la protéine aura son extrémité N-

terminale dans la lumière du RE ou dans le cytosol (Figure 13).

Figure 12.

41

Figure 13.

d) Liaison d’une protéine à un glycosylphosphatidylinositol (GPI).

La liaison a lieu dans la lumière du RE par attachement covalent d’un GPI

préformé à l’extrémité C-terminale de protéines destinées à la membrane plasmique.

Dans le RE, la protéine est liée à la membrane mais ses acides aminés sont exposés

dans la lumière de cet organite.

e) N-glycosylation des protéines solubles ou transmembranaires.

Une des principales fonctions de biosynthèse du RE est l'addition de glucides aux

protéines. La grande majorité des protéines présentes dans la lumière du RE et

exportées vers les organites, la membrane plasmique ou le milieu extracellulaire, sont

des glycoprotéines. A l'inverse, peu de protéines cytosoliques sont glycosylées.

La N-glycosylation des protéines se déroule de façon co-traductionnelle, par

transport en bloc d'une seule espèce d'oligosaccharide, constituée de N-

acétylglucosamine, de mannose et de glucose (Figure 14). Le processus comporte

plusieurs étapes :

42

Figure 14.

A

B

43

- Synthèse sur la face cytosolique de la membrane du RE d'un oligosaccharide

comportant de la N-acétylglucosamine et du mannose, fixé à un dolichol de la

monocouche cytosolique de la membrane du RE (Figure 14 A).

- Basculement de la molécule de dolichol glycosylée dans la monocouche luminale

de la membrane du RE (Figure 14 A).

- Accrochage supplémentaire de mannose et de glucose sur l'oligosaccharide

(Figure 14 A).

- Transfert en bloc de l'oligosaccharide sur le groupement -NH2 présent sur la

chaîne latérale d'un résidu asparagine (N-glycosylation), sous l'action d'une

oligosaccharide-protéine transférase de la membrane du RE dont le site catalytique est

exposé du côté luminal de la membrane (Figure 14 B). Cette réaction concerne les

résidus asparagine situés au sein d'une séquence consensus Asn-X-Ser ou Thr, où X

est un acide aminé quelconque.

- L'arborisation sucrée fixée à la protéine est ensuite modifiée par des glycosidases

présentes dans la lumière du RE qui l'élaguent en partie.

f) Repliement des protéines membranaires ou solubles.

La conformation spatiale des protéines du RE est assurée par plusieurs types de

protéines résidant dans la lumière du RE. Le repliement consomme de l'énergie

fournie par l'ATP.

- Des protéines chaperonnes, parmi lesquelles la BiP (binding protein ou protéine

de liaison). Ces protéines assurent le bon repliement des protéines synthétisées. La

BiP se lie dans la lumière du RE aux segments hydrophobes des protéines en cours

de translocation, évitant ainsi à ces protéines de s’agréger entre-elles ou de mal se

configurer. Par des cycles successifs de liaison-libération ATP-dépendant, la BiP

permet à chaque protéine d’acquérir la bonne conformation. En restant liée aux

protéines mal configurées, la BiP les empêche de quitter le RE.

- Les disulfides isomérases. Ces enzymes catalysent la formation de ponts

disulfures S-S intramoléculaires entre les groupements sulfhydryl (-SH) des

protéines. Elles sont également capables de reconnaître des ponts disulfures

anormaux qui se seraient formés et de les corriger. En règle générale, les résidus

44

cystéine des protéines localisées dans la lumière des organites ou dans le milieu

extracellulaire forment pour la majorité d’entre eux des ponts disulfures,

contrairement à ceux des protéines cytosoliques.

- la calnexine (ou la calréticuline) et la glucosyltransférase (GT). Le rôle de ces

protéines est de vérifier la conformation spatiale des protéines dans la lumière du RE

(Figure 15).

Figure 15.

Les protéines N-glycosylées subissent un premier élagage dans le RE qui conduit

initialement à l’élimination de 2 résidus glucose par les glucosidases I et II (Figure

15). Les protéines qui ne possèdent plus qu’un résidu glucose terminal se lient à la

calnexine (protéine membranaire) par l’intermédiaire de ce sucre (la calréticuline est

une protéine soluble du RE dont le mécanisme d’action est identique à celui de la

calnexine). Une thioloxydoréductase associée à la calnexine catalyse la formation des

ponts disulfures ou leur réarrangement. Après clivage du 3ème glucose par la

glucosidase II, la protéine se libère de la calnexine. Si la bonne configuration est

45

obtenue, la protéine peut quitter le RE. Dans le cas contraire, la protéine est reconnue

par la glucosyltransférase (GT), glucosylée puis à nouveau liée à la calnexine. Si après

plusieurs cycles, le bon repliement n’est pas obtenu, la protéine est détruite. On ne

connaît pas le mécanisme par lequel la GT reconnaît les protéines anormales. Les

protéines anormales du RE qui ne peuvent être corrigées refluent dans le cytosol à

travers le translocon et sont dégradées par le système ubiquitine-protéasome.

- La réponse du réticulum endoplasmique au stress. Cette réponse s’observe

lorsque des protéines mal configurées s’accumulent dans le RE. Elle se traduit par

une augmentation au niveau nucléaire de la transcription de gènes codant pour des

protéines chaperonnes du RE. Cette réponse est due à l’activation, par les protéines

mal configurées, de protéines insérées dans le membrane du RE qui, par leur

domaine cytosolique, transmette l’information au noyau.

2. Synthèse des lipides.

La membrane du RE produit presque tous les lipides nécessaires à la fabrication

des nouvelles membranes de la cellule : phospholipides (phosphatidylcholine,

phosphatidylsérine, phosphatidyléthanolamine et phosphatidylinositol), céramide et

cholestérol.

a) Phospholipides.

La synthèse des phospholipides présente des points communs avec la N-

glycosylation des protéines. Elle débute sur le versant cytosolique de la membrane ;

les enzymes nécessaires sont situées dans la membrane du RE et leurs sites

catalytiques sont exposés sur son versant cytosolique. Un facteur de translocation, la

scramblase, transfert ensuite des phospholipides vers la monocouche luminale de la

membrane du RE. Les différents phospholipides se retrouvent également distribués

entre les 2 feuillets de la membrane du RE. L’asymétrie de distribution des

phospholipides au niveau de la membrane plasmique est due à la présence, dans

cette membrane, d’une flippase qui transfert la phosphatidylsérine et la

phosphatidyléthanolamine de la monocouche externe vers la monocouche interne

46

(Figure 16). Il existe une scramblase dans la membrane plasmique. Contrairement à

la scramblase du RE qui est toujours active, la scramblase de la membrane plasmique

n’est active que dans certaines situations comme l’apoptose.

b) Le RE produit également du cholestérol et du céramide.

Le céramide est exporté dans la membrane de l'appareil de Golgi, où il sert de

précurseur pour la synthèse des glycolipides (réaction de glycosylation) et de la

sphingomyéline (transfert d'un groupement phosphocholine d'une molécule de

phosphatidylcholine sur un céramide). Ces modifications sont catalysées par des

enzymes situées dans la lumière de l'appareil de Golgi et intéressent donc

exclusivement la couche luminale de la bi-couche lipidique de la membrane de

l'appareil de Golgi.

c) Devenir des constituants membranaires.

Par l'intermédiaire des vésicules de transport, les lipides et les protéines

transmembranaires entrent dans le flux vectoriel permanent entre le RE, le Golgi, les

lysosomes et la membrane plasmique. Ce mécanisme permet le renouvellement de la

membrane de ces différents compartiments.

En revanche, la croissance des mitochondries et des peroxysomes fait intervenir un

mécanisme différent. Les protéines des membranes de ces organites proviennent

directement du cytosol. Les lipides de ces organites sont synthétisés dans le RE puis

arrachés de la monocouche cytosolique de la membrane du RE par des protéines de

Figure 16.

47

transfert des phospholipides qui les acheminent jusqu'aux mitochondries ou aux

peroxysomes (Figure 17). Toutefois, la phosphatidyléthanolamine peut être produite

dans la mitochondrie par modification de la phosphatidylsérine provenant du RE.

En plus des protéines de transfert des phospholipides, les phospholipides

pourraient aussi être transférés directement de la membrane du RE vers la

membrane mitochondriale au niveau de zones de contact étroit entre ces deux types

d’organites. Il est également possible qu’un transfert direct de phospholipides puisse

aussi se produire entre le RE et d’autres organites comme l’appareil de Golgi ou le

système endosome/lysosome.

IV. Transport vésiculaire intracellulaire. Mécanismes moléculaires.

Le transfert des protéines à partir du réticulum vers les autres organites (Golgi,

lysosomes) et la membrane plasmique (exocytose) se fait par l'intermédiaire de

vésicules de transport. Il en est de même pour le transport des protéines d'un saccule

golgien à un autre. Dans ce type de transport, les vésicules se forment par

bourgeonnement du compartiment donneur. Au cours de ce processus, les vésicules

ainsi formées s'emparent du matériel présent dans le compartiment donneur et le

libèrent dans le compartiment cible, après fusion de la membrane vésiculaire avec

celle du compartiment cible. Toujours grâce à des vésicules, les cellules eucaryotes

captent des macromolécules du milieu extracellulaire pour les diriger vers les

lysosomes (endocytose).

Figure 17.

48

Les vésicules transportant les protéines sont recouvertes d’une enveloppe

protéique. Le revêtement protéique joue un rôle dans le bourgeonnement de la

vésicule et dans la sélection des protéines à transporter. Il a été montré qu'il existait

principalement 2 types de vésicules enveloppées : i) les vésicules enveloppées de

clathrine qui transportent du matériel destiné à l’exocytose contrôlée (Figure 36) ou

aux endosomes [de l’appareil de Golgi vers le compartiment endosomal tardif

(Figure 30) ou de la membrane plasmique vers le compartiment endosomal précoce

(endocytose)] ; ii) les vésicules enveloppées de COP (COat Proteins) sont impliquées

dans le transport vésiculaire non sélectif du RE au Golgi et dans les transports

vésiculaires de l’appareil de Golgi au RE et d'un compartiment du Golgi au suivant

(Figure 19). Le revêtement protéique des vésicules impliquées dans l’exocytose

constitutive n’a pas été caractérisé biochimiquement.

A. Vésicules enveloppées de clathrine.

Les molécules de clathrine s'auto-assemblent pour former les puits recouverts sur la

face cytosolique des membranes. En microscopie électronique, les puits recouverts

apparaissent comme des dépressions membranaires recouvertes sur leur face

cytosolique par un matériel protéique dense correspondant aux complexes de

clathrine. Les molécules de clathrine sont liées à la membrane par l'intermédiaire de

complexes protéiques appelés adaptateurs. Il existe différents types d’adaptateurs,

certains étant formés de 4 sous-unités protéiques, d’autres d’une seule chaîne

protéique. Ces différents types d’adaptateurs identifient des vésicules d’origine et de

destination différentes. Les adaptateurs permettent de lier le squelette de clathrine à

la membrane. Leur rôle est aussi de capturer des récepteurs transmembranaires dans

les puits recouverts en reconnaissant des peptides signal spécifiques situés dans la

partie cytosolique du récepteur (Figure 18). Ces récepteurs se concentrent dans les

puits recouverts avant ou seulement après avoir fixé leur ligand spécifique. Ce

processus permet ainsi de capter et de concentrer dans un petit volume des

macromolécules présentes en très faibles concentrations dans la lumière des

49

organites ou le milieu extracellulaire. Les puits recouverts ont une durée de vie

Figure 18

courte. La formation de l’enveloppe de clathrine provoque l'invagination de la

membrane qui se pince pour former une vésicule recouverte de clathrine. Le

pincement des puits recouverts fait intervenir une protéine à activité GTPasique, la

dynamine. En quelques secondes, la vésicule perd son revêtement protéique par un

processus actif qui fait intervenir une ATPase et devient une vésicule non recouverte

ou vésicule lisse.

Figure 19.

50

B. Vésicules enveloppées de COP.

Il existe deux groupes de COP : COP-I et COP-II (Figure 19). Le revêtement des

vésicules recouvertes de COP-I est constitué de complexes protéiques constitués de 7

protéines majeures. Les vésicules recouvertes de COP-I assurent le transport de

protéines de l’appareil de Golgi au RE ou d’un compartiment Golgien au suivant. Le

revêtement des vésicules recouvertes de COP-II est constitué de complexes

protéiques constitués de 4 protéines. Les vésicules recouvertes de COP-II assurent le

transport des protéines du RE à l’appareil de Golgi.

C. Vésicules recouvertes de rétromères.

Les rétromères s’assemblent sur l’endosome et forment des vésicules qui assurent

le retour des récepteurs des hydrolases acides (récepteurs du mannose-6-phosphate)

vers l’appareil de Golgi (Figure 30). Un rétromère est constitué de 4 sous-unités

protéiques dont l’une se lie au domaine cytosolique des récepteurs au mannose-6-

phosphate et dont une autre se lie à un phosphatidylinositol phosphaté en 3’ de

l’inositol [PI(3)P].

D. Assemblage des protéines de revêtement.

L’assemblage des protéines de revêtement dépend d’une famille de GTPases

monomériques ; les protéines ARF, responsables de l’assemblage du revêtement de

COP-I et de clathrine, et la protéine Sar1 responsable de l’assemblage du revêtement

de COP-II (Figure 20). Ces GTPases existent sous deux formes, actives lorsqu’elles

sont liées au GTP, inactives lorsqu’elles sont liées au GDP. Le « switch » entre les

deux formes est régulé par deux classes de protéine, les facteurs d’échange des

nucléotides guanyliques (GEF) qui sont activateurs car ils catalysent le remplacement

du GDP par du GTP et les GAP (protéines activatrices de la GTPase) qui sont

inactivatrices car elles stimulent l’hydrolyse du GTP en GDP. Les protéines ARF et

Sar1 sont présentes à de fortes concentrations dans le cytosol sous forme inactive,

liées au GDP.

51

Avant le bourgeonnement membranaire, des GEF membranaires activent cette

famille de GTPase (remplacement d’un GDP par un GTP). Sous forme active, ces

molécules exposent des chaînes hydrophobes leur permettant de s’insérer dans les

membranes et de recruter les protéines de revêtement. Après hydrolyse du GTP en

GDP, les protéines ARF et Sar1 inactives se décrochent des membranes provoquant

le désassemblage du revêtement vésiculaire (Figure 20).

Figure 20

52

E. Sélectivité du transport vésiculaire.

Le processus de reconnaissance des membranes cibles des vésicules de transport

est hautement spécifique et fait intervenir deux classes de protéine, les SNARE et les

protéines rab.

1. Les protéines SNARE.

Les protéines SNARE jouent un rôle essentiel dans la spécificité de l’amarrage

d’une vésicule à la membrane cible et dans la fusion des deux membranes (Figure

21). Ils existent plus de 35 protéines SNARE différentes dans l’espèce animale qui se

regroupent en paires complémentaires où chaque élément d’une paire s’amarre

spécifiquement à l’autre élément ; les v-SNARE sont présentes sur la membrane des

vésicules qui bourgeonnent et les t-SNARE sur la membrane ciblent et chaque couple

identifie une voie bien définie de transport vésiculaire. Une v-SNARE est constituée

d’une seule chaîne polypeptidique ; une t-SNARE est constituée de 2 à 3 chaînes

polypeptidiques. Les SNARE sont des protéines transmembranaires ; le domaine

cytosolique d’une v-SNARE s’enroule en hélice avec le domaine cytosolique de son

partenaire t-SNARE. Cet enroulement permet le rapprochement des deux

membranes puis leur fusion. Après fusion membranaire, chaque couple peut se

dissocier pour que les deux éléments qui le constituent soient réutilisés. La

dissociation est catalysée par des protéines accessoires et une ATPase appelée NSF.

2. Les protéines rab.

Les protéines rab sont des GTPases monomériques qui contribuent également à la

sélectivité du transport vésiculaire. Il existe plus de 60 protéines rab différentes,

chacune ayant une distribution caractéristique sur les membranes cellulaires. Leur

rôle est de faciliter et de réguler l’amarrage d’une vésicule à une membrane et

l’appariement d’une v-SNARE avec son partenaire t-SNARE. Comme les protéines

ARF et Sar1, les protéines rab existent sous deux formes, inactives dans le cytosol

(liées au GDP), actives membranaires (liées à du GTP). Le passage de la forme

53

inactive à la forme active est dû à des facteurs d’échange (GEF) ancrés dans les

membranes. L’activation des protéines rab se caractérise par l’exposition d’un

ancrage lipidique permettant la liaison de la protéine à une membrane. En se liant à

un effecteur de rab présent sur une membrane cible, la protéine rab intégrée dans la

membrane d’une vésicule permet l’amarrage de ces deux membranes l’une à l’autre,

facilitant ainsi l’appariement des SNARE puis la fusion membranaire (Figure 22).

Figure 21

Figure 22

54

V. Mécanismes d'adressage et de rétention des protéines spécifiques de chaque

compartiment.

Ils assurent le maintien des caractéristiques spécifiques de chaque compartiment.

L’adressage et la rétention d’une protéine dans un compartiment spécifique (RE,

appareil de Golgi, lysosome) fait intervenir un signal d’adressage et de rétention

(différent du signal d’entrée dans le RE) spécifique de ce compartiment. Ces signaux

diffèrent pour les protéines transmembranaires et solubles :

- Les protéines transmembranaires portent un peptide signal dans leur domaine

cytosolique ou dans leur premier segment transmembranaire (si celles-ci en

comportent plusieurs).

- Les protéines solubles ont un peptide signal dans leur séquence (cas des protéines

résidant dans le RE comme la BiP et la disulfide isomérase) ou un signal porté par

leurs chaînes glycosylées (cas des enzymes lysosomales). Le signal d'adressage de ces

protéines solubles est reconnu par une protéine transmembranaire qui porte elle-

même, dans son domaine cytosolique, un signal peptide de tri et de rétention dans

un compartiment donné.

VI. L’appareil de Golgi

A. Structure.

L'appareil de Golgi est habituellement localisé près du noyau et, dans les cellules

animales, il est proche du centrosome. Il est constitué de saccules aplatis, limités par

une membrane et organisés par groupes de 4 à 6 en pile d'assiettes constituant des

dictyosomes. Le nombre et la taille de ces empilements peuvent varier de façon

importante d'un type cellulaire à un autre.

Chaque dictyosome présente 2 faces et 3 compartiments (figure 23) :

- la face cis, qui est située du côté du RE, correspond à la face d'entrée dans

le Golgi ;

- la face trans, située vers la membrane plasmique ou les lysosomes, est la face de

sortie de l'appareil de Golgi ;

55

- le compartiment cis (dont le réseau cis) est constitué par les saccules situés à

proximité du RE et reçoit les protéines exportées du RE ;

- le compartiment trans (dont le réseau trans) est formé par les saccules les plus

périphériques ; c'est là que se termine la maturation de la majorité des protéines,

avant leur exportation vers les lysosomes ou la membrane plasmique ;

- le compartiment médian est situé entre les compartiments cis et trans.

De nombreuses vésicules assurent le transport des protéines, du RE vers le

compartiment cis, de l’appareil de Golgi vers le RE, d'un saccule golgien à l'autre, et

du compartiment trans vers les lysosomes ou la membrane plasmique. Cette

circulation des protéines a pu être mise en évidence grâce aux expériences

d'autoradiographie.

B. L'appareil de Golgi est au carrefour de 4 flux membranaires (Figure 24).

- Un flux entrant provenant du RE.

- Un flux rétrograde du Golgi vers le RE.

- Le flux vectoriel permanent à partir du compartiment trans, par des vésicules

destinées aux endosomes et à la membrane plasmique (cf. paragraphe exocytose).

- Un flux rétrograde des endosomes vers le Golgi trans.

Figure 23

56

Figure 23 (suite)

Figure 24.

57

1. Transport vésiculaire du réticulum endoplasmique vers l’appareil de

Golgi.

Au niveau du réticulum endoplasmique, les protéines destinées à l’appareil de

Golgi et au-delà sont empaquetées dans des vésicules recouvertes de COP-II qui

bourgeonnent à partir du RE transitionnel (Figure 19). Contrairement à ce qui était

admis, ce processus est sélectif : les protéines transmembranaires destinées à

l’exportation hors du RE possèdent dans leur domaine cytosolique un signal de

sortie qui leur permet de se fixer sur les complexes COP-II ; les protéines solubles

destinées à l’exportation hors du RE se fixent sur des récepteurs membranaires

possédant dans leur domaine cytosolique un signal leur permettant également de se

fixer sur les complexes COP-II. Ces derniers, après avoir libéré leurs ligands dans

l’appareil de Golgi, doivent être réadressées vers le RE. Enfin, des protéines solubles

ou membranaires résidentes du RE sont « par erreur » incorporées dans les vésicules

lors de leur bourgeonnement dans le RE et, comme les précédents devront être

réacheminées vers le RE (transport rétrograde).

2. Formation d’un compartiment vésiculo-tubulaire intermédiaire.

Après leur bourgeonnement et la perte de leur revêtement protéique, les vésicules

provenant du RE fusionnent entre elles (fusion homotypique) pour former un

compartiment vésiculo-tubulaire intermédiaire (Figure 19). Ce compartiment se

déplace le long des microtubules vers l’appareil de Golgi (face cis) avec lequel il

fusionne.

3. Transport rétrograde des protéines de l’appareil de Golgi vers le RE.

Du compartiment vésiculo-tubulaire et de l’appareil de Golgi, des vésicules

recouvertes de COP-1 bourgeonnent en permanence pour réadresser vers le RE les

récepteurs transmembranaires et les protéines solubles résidents du RE (Figure 19).

Ces protéines portent un signal d’adressage (ou de rétention dans le RE) différent

selon qu’elles sont solubles ou membranaires. Les protéines transmembranaires

possèdent dans leur domaine cytosolique le peptide signal d’adressage et de

58

rétention : KKXX. Ce signal se lie aux complexes protéiques COP-1. Les protéines

solubles résidentes du RE portent le peptide signal spécifique de rétention dans le

RE : KDEL (Figure 25). Lorsqu’elles sortent du RE, ce signal de rétention leur permet

de se fixer sur des récepteurs membranaires spécifiques (récepteurs KDEL) situés

dans la membrane des structures vésiculo-tubulaires et des compartiments cis,

median et trans de l'appareil de Golgi. Ces récepteurs se fixent par leur domaine

cytosolique sur les complexes protéiques COP-1 permettant ainsi de réacheminer les

protéines solubles résidentes du RE vers le RE. Les récepteurs KDEL circulent donc

entre le RE et l’appareil de Golgi. Les protéines résidentes du RE doivent donc avoir

une faible affinité pour les récepteur KDEL dans le RE (pour ne pas se fixer ou s’en

libérer) et une forte affinité dans l’appareil de Golgi (pour s’y fixer). Cette

modification d’affinité est due à la variation de pH entre ces deux compartiments, pH

neutre dans la lumière du RE (faible affinité de la protéine pour son récepteur), pH

faiblement acide dans l’appareil de Golgi (forte affinité de la protéine pour son

récepteur). Ainsi, dans l’appareil de Golgi, les protéines résidentes du RE se fixent à

leur récepteur et s’en détachent lorsqu’elles se retrouvent dans le RE. De plus, pour

rapatrier vers le RE une surface membranaire importante dans un faible volume, les

vésicules qui assurent le transport rétrograde de l’appareil de Golgi vers le RE ont

une structure tubulaire aplatie (« canalicule », voir Figure 24).

C. Fonctions de l'appareil de Golgi.

1. O-glycosylation des protéines.

Il s'agit de la fixation de sucres sur le groupement OH des chaines latérales de

certaines sérines et thréonines (O-glycosylation) (Figure 26). Elle concerne le

domaine luminal des protéines transmembranaires et les protéines solubles dans le

Golgi. Elle a lieu dans les compartiments médian et trans de l’appareil de Golgi : i)

les sucres sont synthétisés dans le cytosol et pénètrent dans le Golgi par une

perméase spécifique ; ii) ils sont accrochés aux protéines par une O-glycosyl-protéine

transférase.

59

Figure 25.

L'appareil de Golgi participe en particulier à la synthèse des protéoglycannes. Un

protéoglycanne est formé d’une chaîne protéique sur laquelle est (sont) fixé(s) un ou

plusieurs glycosaminoglycanne(s). Les glycosaminoglycannes sont des chaînes

linéaires sucrées constituées d'unités disaccharidiques répétitives fixées à la protéine

par O-glycosylation d'un résidu sérine ; ils se forment par addition successive de

résidus glucidiques. Dans le compartiment trans, les résidus sucrés des

glycosaminoglycannes sont abondamment sulfatés. De nombreux protéoglycannes

sont sécrétés dans le milieu extracellulaire où ils sont des composants de la matrice

extracellulaire. D'autres restent fixés à la face externe de la membrane plasmique.

Figure 26

60

2. Modification des chaînes oligosaccharidiques des protéines N-

glycosylées.

Les chaînes oligosaccharidiques N-glycosylées dans le RE peuvent ou non être

modifiées dans l’appareil de Golgi. Les modifications, quand elles se produisent,

consistent en :

- la phosphorylation, dans le compartiment cis, des résidus mannose

indispensables à la maturation des enzymes destinées à la lumière des lysosomes (cf

chapitre lyosomes) ;

- l'élagage de résidus mannoses et l’addition de nouveau résidus sucrés provenant

du cytosol (N-acétylglucosamine, galactose, acide sialique) sur les chaînes arborisées

N-glycosylées.

Ces réactions enzymatiques se déroulent de façon séquentielle et ordonnée dans

les différents compartiments de l’appareil de Golgi et aboutissent à la formation

d’oligosaccharides complexes : i) compartiment cis : élimination de résidus mannose

(mannosidase I) ; ii) compartiment médian : élimination de résidus mannose,

(mannosidase II), addition de N-acétylglucosamine ; iii) compartiment trans :

addition de galactose, d’acide sialique.

Le grand nombre de glycoprotéines et la complexité de leur synthèse suggèrent

que les chaîne glycosylées des protéines ont des fonctions importantes. Les chaînes

sucrées sont relativement inflexibles et, de ce fait, font saillie à la surface de la

protéine. Elles peuvent ainsi protéger les protéines de la digestion par les protéases.

Les chaînes oligosaccharidiques ont d'autres rôles, notamment dans l’adhésion

intercellulaire (via les sélectines).

4. Maturation protéolytique des protéines.

De nombreuses hormones polypeptidiques et des neuropeptides sont synthétisés

sous forme de précurseurs inactifs, à partir desquels les molécules actives sont

progressivement produites par protéolyse. Ces clivages débutent dans le

compartiment trans du Golgi et se poursuivent dans les vésicules de sécrétion, voire

parfois même dans le milieu extracellulaire.

Exemple : dans le pancréas, la proinsuline est clivée en insuline (figure 27).

61

VII. Transport du compartiment trans du Golgi à la surface de la cellule :

l'exocytose.

Des vésicules de transport destinées à la membrane plasmique quittent le

compartiment trans du Golgi. Les protéines et les lipides membranaires de ces

vésicules renouvellent la membrane plasmique, tandis que les protéines solubles de

la lumière de ces vésicules sont sécrétées dans le milieu extracellulaire. Ce processus

d’exportation et de fusion des vésicules avec la membrane plasmique est appelé

exocytose. On distingue deux types d’exocytose : l’exocytose constitutive et

l’exocytose controlée.

Figure 27.

Figure 28.

62

A. L'exocytose constitutive.

L’exocytose constitutive est continue et s’observe dans toutes les cellules (Figure

28). Il s’agit d’un processus par défaut qui concerne des protéines qui ne sont pas

sélectionnées pour une destination spécifique ; ces protéines n’ont pas de signal

spécifique ; elles sont empaquetées dans des vésicules qui bourgeonnent du réseau

trans de l’appareil de Golgi et qui fusionnent avec la membrane plasmique pour

libérer leur contenu dans le milieu extracellulaire.

B. L'exocytose contrôlée.

L’exocytose contrôlée s’observe dans certains types cellulaires, notamment dans

les cellules spécialisées dans la sécrétion d'hormones, de neurotransmetteurs ou

d'enzymes digestives (figure 28).

1. Formation des vésicules de sécrétion.

Les protéines destinées aux vésicules de sécrétion s'agrègent dans la lumière du

réseau trans de l’appareil de Golgi grâce à une région signal commune à ce type de

protéine. Les protéines agrégées sont probablement reconnues par des récepteurs

situés dans la membrane de l’appareil de Golgi. La membrane de ces vésicules porte

un revêtement de clathrine. Après bourgeonnement de la vésicule (vésicule

sécrétoire immature), le contenu vésiculaire se condense sous l'effet : i) d'une

acidification de la lumière vésiculaire induite par une pompe à proton membranaire

couplée à l'ATP et ii) la diminution de taille des vésicules sécrétoires due au

bourgeonnement à leur niveau de vésicules recouvertes de clathrine qui regagnent

l’appareil de Golgi (Figure 29). Les processus d'agrégation et de condensation

permettent de concentrer de façon importante les substances stockées dans les

vésicules de sécrétion (vésicule sécrétoire mature).

2. Maturation des protéines dans les vésicules de sécrétion.

La maturation protéolytique de nombreuses protéines qui débute dans le réseau

trans du Golgi se poursuit dans les vésicules de sécrétion (cf. paragraphe sur

l'appareil de Golgi).

63

3. Stockage des vésicules de sécrétion.

Les vésicules sont acheminées jusqu'à leur site de sécrétion. Dans certaines cellules,

ce site est très éloigné de l'appareil de Golgi. Ainsi, dans les neurones, les vésicules

de sécrétion sont formées dans le corps cellulaire et acheminées jusqu'à l'extrémité de

l'axone, située parfois à plus d'un mètre. Le transport des vésicules jusqu'à leur site

de sécrétion se fait grâce aux microtubules du cytosquelette et à des protéines

motrices. Les vésicules sécrétoires s’accumulent à proximité de la membrane

plasmique ; leur contenu n’est libéré qu’en réponse à un signal extracellulaire

spécifique (stimulation hormonale, électrique …), après fusion de la membrane

vésiculaire avec la membrane plasmique (Figure 28).

4. Les composants membranaires des vésicules de sécrétion sont

recyclés.

Lorsqu'une vésicule de sécrétion fusionne avec la membrane plasmique,

l'augmentation de surface de la membrane plasmique qui en résulte est

contrebalancée par le processus d'endocytose.

Figure 29.

64

VIII. Transport vésiculaire de la membrane plasmique vers le système

endosomal : l’endocytose

On distingue deux types d’endocytose, la pinocytose qui s’observe dans tous les

types cellulaires et dont le principe général est celui décrit ci-dessus et la

phagocytose qui est la propriété de seulement certains types cellulaires et dont le

mécanisme diffère sensiblement de celui de la pinocytose.

A. La pinocytose.

On distingue deux types de pinocytose en fonction de la nature des molécules

internalisées et du revêtement situé sur la face cytosolique des vésicules : la

pinocytose dépendante de la clathrine et la pinocytose non-dépendante de la

clathrine.

1) La pinocytose dépendante de la clathrine.

La pinocytose dépendante de la clathrine se produit dans des régions spécialisées

de la membrane plasmique : les puits recouverts qui occupent environ 2% de la

surface de la membrane plasmique. Après la perte du revêtement de clathrine, les

vésicules lisses qui se forment fusionnent avec les endosomes précoces, structures les

plus superficielles du compartiment endosomal, situées sous la membrane

plasmique. Ce compartiment est constitué d'un ensemble complexe de structures

vésiculo-tubulaires entourées d'une membrane. Quant aux complexes de clathrine,

ceux-ci se réassemblent au niveau de la membrane plasmique pour reconstituer un

puits recouvert.

Après fusion des vésicules avec les endosomes précoces, le devenir des

macromolécules et de leurs récepteurs varie suivant la nature même de la molécule

transportée. Lorsque le devenir du ligand est différent de celui du récepteur, le

complexe ligand-récepteur doit se dissocier. Cette dissociation est liée au pH acide de

ce compartiment, qui, en induisant des modifications conformationnelles de

65

beaucoup de récepteurs, diminue leur affinité pour le ligand. Le pH acide de

l'endosome précoce est dû à l'existence d'une pompe H+ membranaire qui transfère

les ions H+ du cytosol dans l'endosome. Les ligands qui se dissocient de leurs

récepteurs sont donc habituellement dégradés dans les lysosomes alors que leurs

récepteurs sont recyclés vers la membrane plasmique. Les ligands qui restent fixés à

leurs récepteurs partagent leur sort : recyclage, dégradation ou transcytose.

a. Le récepteur peut être recyclé vers la membrane plasmique

alors que le ligand est dégradé (ex : Low Density Lipoprotein, LDL) (Figure 30).

Dans ce cas, le recyclage des récepteurs s'effectue par l'intermédiaire de vésicules

de transport bourgeonnant à partir du compartiment endosomal précoce. Des

portions tubulaires comportant les récepteurs destinés à être recyclés se détachent

également de ce compartiment et fusionnent entre-elles pour former l’endosome

recyclant. De l’endosome recyclant bourgeonnent des vésicules qui transportent les

récepteurs vers la membrane plasmique. L’endosome recyclant peut être considéré

comme un site de stockage de récepteurs membranaires dont la sortie vers la

membrane plasmique est régulée en fonction des besoins de la cellule. Quant au

ligand, celui-ci est transféré du compartiment endosomal précoce vers le

compartiment endosomal tardif (Figure 31). Au cours de ce processus, les

endosomes précoces migrent dans la profondeur de la cellule, le long des

microtubules, alors que leur membrane s’invagine pour former des vésicules

internes. Ainsi se forment des corps multivésiculaires qui fusionnent entre eux et

créent le compartiment endosomal tardif dont le pH interne est de 6 du fait d’une

acidification progressive de leur contenu. Les vésicules du compartiment endosomal

tardif fusionnent ensuite avec des lysosomes préexistants. Cette fusion est à l’origine

des endolysosomes qui maturent en lysosomes après acidification supplémentaire

(pH 5). La dégradation des ligands (ou des récepteurs) est due aux hydrolases acides

qui proviennent du réseau trans de l’appareil de Golgi et qui sont délivrées par

transport vésiculaire dans le compartiment endosomal précoce (cf. cours sur

66

lysosomes). Ces hydrolases ont un pH optimal d’activité de 5. Elles sont synthétisées

sous forme proenzyme inactive car elles possèdent à leur extrémité N-terminale un

domaine inhibiteur. Les hydrolases acides ne deviennent actives qu’après élimination

par clivage protéolytique de ce domaine inhibiteur. Ainsi, les hydrolases acides ne

deviennent effectivement fonctionnelles qu’à partir du stade endolysosome où le pH

est suffisamment acide et où les protéases délivrées par la fusion de lysosomes avec

les vésicules du compartiment endosomal tardif effectuent ce clivage.

Figure 30. Endocytose des LDL. Le cholestérol utilisé par les cellules est en partie

d’origine alimentaire. Dans le foie, les molécules de cholestérol sont empaquetées dans les

LDL, petits agrégats constitués de phospholipides, de cholestérol et d’une protéine qui est le

ligand spécifique du récepteur des LDL.

b. Le récepteur et le ligand peuvent être dégradés dans les

lysosomes (ex : Epidermal Growth Factor ou EGF) (Figures 31 et 32).

Le rôle des corps multivésiculaires est particulièrement important dans ce cas car

ils permettent la dégradation complète des récepteurs qui se concentrent

préalablement dans la membrane des vésicules internes (qui est elle-même

67

dégradée). Les récepteurs destinés à être dégradés dans les vésicules internes des

corps multivésiculaires sont marqués par une ou plusieurs molécules d’ubiquitine (et

dans ce deuxième cas, les molécules d’ubiquitine sont liées au récepteur sur des sites

différents)

Figure 31.

Figure 32. Endocytose de l’EGF

68

c. Le récepteur et le ligand peuvent être recyclés vers la membrane

plasmique (ex : transferrine) (Figure 33).

Comme précédemment pour les récepteurs des LDL, le recyclage des complexes

ligand-récepteur s'effectue par l'intermédiaire de vésicules de transport

bourgeonnant à partir de l'endosome précoce.

d. Le récepteur et son ligand peuvent être transportés d'une face de

la cellule à l'autre.

Ce processus appelé trancytose s'observe notamment pour le transport

transcellulaire des anticorps présents dans le lait maternel. Dans cet exemple, les

anticorps maternels présents dans la lumière intestinale du nouveau-né se fixent,

dans ce milieu acide, sur des récepteurs présents sur la surface apicale des

entérocytes (récepteurs Fc). Les anticorps sont endocytés dans des vésicules

recouvertes de clathrine puis délivrés dans le compartiment endosomal précoce. Les

complexes anticorps-récepteurs Fc sont ensuite transférés par transport vésiculaire

vers la membrane plasmique baso-latérale de l’entérocyte, via l’endosome recyclant.

Lorsque ces complexes s’exposent dans le milieu extracellulaire bordant la surface

basolatérale de la cellule, les anticorps se libèrent de leur récepteur du fait du pH

neutre de ce milieu.

Figure 33. Endocytose de la transferrine. La transferrine est une protéine plasmatique qui

transporte le fer dans les cellules. Elle existe sous deux formes, l’apotransferrine (forme

n’ayant pas d’atome de fer et une faible affinité pour son récepteur à pH 7,4) et la

ferrotransferrine (forme ayant deux molécules de Fe+++ par molécule de transferrine et une

forte affinité pour son récepteur à pH 7,4). Dans le milieu extracellulaire (pH 7,4), la

ferrotransferrine se lie à son récepteur de surface. Dans l’endosome, du fait du pH acide, le

fer se dissocie de la transferrine. L’apotransferrine reste liée à son récepteur car elle a une

forte affinité pour celui-ci à pH acide. Le fer est transporté hors du système vésiculaire sur

une protéine de stockage, la ferritine. L’apotransferrine fixée sur son récepteur est recyclée

vers la membrane plasmique. Exposée sur la face extracellulaire de la membrane plamique,

l’apotransferrine est libérée dans le milieu extracellulaire du fait de sa faible affinité pour

69

son récepteur à pH 7,4. L’apotransferrine libérée fixe à nouveau des ions ferriques et peut

alors se lier à son récepteur.

La formation des vésicules recouvertes conduit également à l’internalisation des

fluides extracellulaires et donc de toutes les molécules qui y sont dissoutes. Cette

endocytose obligatoire et non spécifique est appelée endocytose en phase fluide.

2) Pinocytose non-dépendante de la clathrine.

Un deuxième type d’endocytose s’observe au niveau de régions spécialisées de la

membrane plasmique riches en cholestérol, glycosphingolipides et protéines liées par

un glycosylphosphatidylinositol (« lipid rafts »). Certains de ces microdomaines sont

recouverts sur leur versant cytosolique par une protéine membranaire intégrée, la

cavéoline, d’où leur nom de cavéole. Qu’il y ait ou non un revêtement de cavéoline,

ces microdomaines peuvent s’invaginer et, grâce à la dynamine, former des vésicules

d’endocytose. La cavéoline, lorsqu’elle est présente, ne se dissocie pas de la vésicule.

Ce mode d’endocytose, non dépendant de la clathrine, fait intervenir des récepteurs.

Il permet l’endocytose de nombreux ligands : cytokines (interleukine 2), virus (SV 40,

70

papilloma virus), toxines bactériennes, albumine. Le devenir des vésicules est mal

connu. Les vésicules, qu’elles soient ou non recouvertes de cavéoline, transitent par

un compartiment intermédiaire, le cavéosome. Le contenu de ces vésicules est

finalement délivré à l’appareil de Golgi ou au réticulum endoplasmique (Figure 34).

Dans les cellules endothéliales, ce mode d’endocytose indépendant de la clathrine

participe au transfert transendothélial de molécules (transcytose).

Figure 34

B. La phagocytose.

La phagocytose est une fonction de certaines cellules, utilisée pour endocyter des

particules de taille importante (micro-organismes, globules rouges, débris cellulaires).

Chez les mammifères, la phagocytose est surtout la propriété d'un type de cellules,

les cellules phagocytaires qui regroupent les polynucléaires, les monocytes et les

macrophages. La vésicule formée, appelée phagosome, est de grande taille ; son

diamètre est égal à celui de la particule ingérée. Le devenir du phagosome est de

fusionner avec des lysosomes pour former un phagolysosome dans lequel le matériel

endocyté est dégradé (voir lysosomes). Lorsque le matériel n'est pas dégradable par

les enzymes lysosomales, il persiste dans les lysosomes sous forme de corps résiduels.

71

Dans le cas contraire, les produits de dégradation sont utilisés pour les besoins du

métabolisme cellulaire.

Figure 35

Le processus de phagocytose est déclenché par la liaison de la particule à la

membrane plasmique de la cellule phagocytaire (Figure 35). Il s'agit donc d'un

processus qui nécessite une stimulation de la cellule, stimulation passant par

l'activation de récepteurs de surface chargés de transmettre l'information à l'intérieur

de la cellule. Les stimuli les mieux caractérisés sont les anticorps qui, dans le cas des

micro-organismes, se fixent par une extrémité à leur surface et qui, par l'autre

extrémité (Fc) se fixent sur des récepteurs pour la région Fc, présents à la surface des

polynucléaires et des macrophages. La fixation de telles micro-organismes (par

72

l'intermédiaire des anticorps) sur les cellules phagocytaires est responsable de

l'émission, par la cellule, de long prolongements appelés pseudopodes (ou voiles

hyaloplasmiques) qui vont entourer la particule puis fusionner à leur extrémité pour

former un phagosome. La formation des pseudopodes est due à la polymérisation

locale des filaments d’actine. D'autres classes de récepteurs cellulaires sont également

capables de promouvoir la phagocytose : il s'agit des récepteurs du complément ou

de récepteurs qui reconnaissent des oligosaccharides présents à la surface de certains

micro-organismes. Les macrophages sont également capables de phagocyter des

cellules en apoptose. Au cours de ce processus de mort cellulaire, la cellule perd la

distribution asymétrique des phospholipides de la membrane plasmique ; les

phosphatidylsérines, normalement présentes dans la monocouche cytosolique,

s’exposent sur la face extracellulaire de la membrane et déclenchent la phagocytose

de la cellule apoptotique.

IX. Les lysosomes.

A. Caractéristiques.

Les lysosomes sont des vésicules limitées par une membrane, dont la forme et la

taille sont très variées. On peut les détecter en microsocopie optique après marquage

cytoenzymologique de la phosphatase acide. Ils sont caractérisés par (Figure 36) :

- le pH acide de leur lumière, aux environ de 5 ;

- leur contenu riche en hydrolases acides, actives à pH 5, (protéases, nucléases,

lipases, glycosidases, phosphatases, sulfatases, phospholipases) ;

- une pompe à protons membranaire qui utilise l'énergie produite par l'hydrolyse

de l'ATP pour pomper des ions H+ du cytosol vers l'intérieur des lysosomes et

maintenir ainsi un pH acide ;

- des protéines membranaires fortement glycosylées ; la glycosylation protège ces

protéines de la protéolyse par les protéases contenues dans la lumière des

lysosomes ;

73

- la présence de perméases membranaires de 2 types : les unes exportent les

produits finaux du catabolisme vers le cytosol ; les autres importent du cytosol les

matériaux à hydrolyser.

Figure 36

B. Les lysosomes sont impliqués dans la digestion intracellulaire.

Les matériaux à dégrader proviennent de 3 origines (Figure 37).

Figure 37

74

1. La voie de l'endocytose.

La voie de l’endocytose (pinocytose, phagocytose) apporte des matériaux captés

dans le milieu extracellulaire.

2. La voie de l'autophagie.

Cette voie a pour rôle d'éliminer les organites cellulaires hors d'usage. Ainsi, dans

l'hépatocyte, la durée de vie moyenne d'une mitochondrie est d'environ 10 jours. Au

cours de ce processus, l'organite est enveloppé par une membrane dont l’origine

n’est pas connue, créant ainsi un autophagosome. L’autophagosome fusionne

ensuite avec un lysosome ou un endosome tardif. L’autophagie est un phénomène

également observé en cas de carence nutritive. Dans cette situation, des portions du

cytosol sont captées dans des autophagosomes ; après fusion avec des vésicules du

système lysosomal, les métabolites provenant de la dégradation des molécules

capturées sont alors réutilisés par les cellules pour leur survie. L’autophagie est aussi

impliquée dans le développement foetal.

3. Le passage direct de peptides cytosoliques.

Des peptides cytosoliques pénètrent dans les lysosomes grâce à des perméases

présentes dans la membrane de l’organite. C'est en particulier le cas des protéines

ubiquitinées et partiellement dégradées dans le cytosol par les protéasomes et qui

possèdent un signal de tri vers les lysosomes.

Toutes les familles de molécules biologiques sont dégradées dans les lysosomes en

métabolites élémentaires. Ceux-ci repassent ensuite dans le cytosol via des perméases

où ils sont réutilisés pour le métabolisme cellulaire.

C. Tri des enzymes lysosomales solubles de l'appareil de Golgi vers les

lysosomes (Figure 38).

La biosynthèse de ces enzymes obéit au schéma général de synthèse des

glycoprotéines solubles : elles sont importées et N-glycosylées dans le RE, puis

transportées dans l'appareil de Golgi. Les vésicules qui transportent ces protéines

vers le système endosomal bourgeonnent à partir du compartiment trans de

l'appareil de Golgi. C'est à ce niveau que s'effectue le tri car ces vésicules doivent

75

exclure les autres protéines dont les destinations sont différentes. Le mécanisme du

tri des hydrolases lysosomales est connu depuis quelques années (Figure 38).

1. Rôle du mannose-6-phosphate.

Les hydrolases lysosomales comportent un marqueur sélectif, sous la forme de

groupements mannose-6-phosphate (M6P) qui sont ajoutés aux oligosaccharides

(résultant de la N-glycosylation) de ces enzymes dans la lumière du compartiment

cis du Golgi. Cette réaction est catalysée par 2 enzymes :

- la N-acétylglucosamine phosphotransférase (NAcGlc-P-transférase) qui transfère

le groupement NAcGlc-P sur 1 ou 2 résidus mannose de l'oligosaccharide ;

- une phosphoglycosidase qui retire le résidu NAcGlc pour exposer le M6P.

Il a été suggéré que la NAcGlc-P-transférase reconnaissait spécifiquement les

hydrolases destinées au lysosome grâce à l'existence, sur ces enzymes, d'une région

signal.

Figure 38

76

2. Le récepteur du mannose-6-phosphate (Figure 38).

La membrane du compartiment trans de l'appareil de Golgi contient des

récepteurs du M6P qui reconnaissent donc spécifiquement les hydrolases

lysosomales phosphorylées. Ces récepteurs, sur lesquels se fixent les hydrolases

lysosomales, se lient par leur domaine cytosolique à des adaptateurs et se

concentrent dans des puits recouverts de clathrine qui bourgeonnent pour former

des vésicules recouvertes. Ces vésicules perdent ensuite leur enveloppe et fusionnent

de façon spécifique avec un endosome précoce qui, après acidification

supplémentaire, devient un endosome tardif. La libération des hydrolases

lysosomales dans l’endosome tardif est provoquée par le pH acide de ce

compartiment. En effet, le M6P se fixe sur son récepteur à pH 6,5-6,7 (pH du

compartiment trans) et s'en dissocie à pH 6, pH de l’endosome tardif. Les hydrolases

libérées sont déphosphorylées. Après avoir libéré leurs enzymes, les récepteurs sont

recyclés vers la membrane du compartiment trans du Golgi (recyclage membranaire)

dans des vésicules recouvertes de rétromères. Il a été montré qu'une petite fraction

des récepteurs du M6P était également présente dans la membrane plasmique. Ces

récepteurs pourraient servir à recapturer des enzymes lysosomales transportées par

erreur vers la membrane plasmique et libérées dans le milieu extracellulaire. Les

enzymes récupérées sont recyclées vers les endosomes par endocytose.

3. Les maladies lysosomales.

L'étude du mécanime de ces maladies a joué un rôle prépondérant dans la

caractérisation du mécanisme d'adressage des hydrolases lysosomales. Quatre

mécanismes différents peuvent conduire à l'accumulation de molécules non ou mal

dégradées dans les lysosomes.

a) Absence ou anomalie fonctionnelle d'une ou de plusieurs

enzymes.

Elles sont habituellement dues à une mutation dans un gène de structure qui code

pour une enzyme particulière, provoquant ainsi une accumulation de son substrat

non digéré dans les lysosomes.

Exemples :

77

- la sphingolipidose ou maladie de Gaucher, due à l'accumulation des

sphingolipides non hydrolysés dans les lysosomes, en particulier dans le système

nerveux.

- La forme la plus grave de ces maladies est la mucolipidose de type II (maladie

des cellules I). Elle est due à une anomalie ou à l'absence de la NAc Glc-P-

transférase. Dans cette maladie, les enzymes sont normalement synthétisées et

fonctionnelles mais ne sont pas délivrées aux lysosomes du fait de l'absence de M6P.

Ces enzymes sont alors sécrétées dans le milieu extracellulaire.

b) Anomalie congénitale des perméases membranaires qui ne

permettent plus le passage dans le cytosol des métabolites provenant de

l'hydrolyse.

Exemple : la cystinose par défaut de transport de la cystine vers le cytosol.

c) Une acidification insuffisante du lysosome qui altère le

fonctionnement des enzymes lysosomales, normalement actives à pH 5. Ce

mécanisme est utilisé en thérapeutique pour détruire l'agent du paludisme en

bloquant par la quinine le fonctionnement des lysosomes du parasite responsable de

la maladie.

d) L'incapacité des lysosomes à dégrader des matériaux non

biologiques.

Ce mécanisme n'intervient que dans les macrophages qui sont capables de

phagocyter de grosses particules minérales ou métalliques. Ce phénomène est

observé au cours des pneumoconioses, lorsque de telles particules inhalées sont

phagocytées par les macrophages des alvéoles pulmonaires. Cette accumulation, qui

provoque la libération du contenu enzymatique lysosomal dans le cytosol du

macrophage, est responsable de la mort de la cellule suivie de la destruction

progressive du tissu pulmonaire. Deux exemples en pathologie humaine sont

représentés par l'asbestose (accumulation de fibres d'amiante) et la silicose

(surcharge en particules de silice).