Déterminants moléculaires du système endosomal

Une fois la vésicule d’endocytose formée, elle fusionne avec les structures endosomales. Les cargaisons et leurs récepteurs sont transportés au sein de ce système par le biais de fission et de fusions vésiculaires successives. Une machinerie complexe assure le maintien de l’identité moléculaire et fonctionnelle des différents compartiments, ainsi que la réalisation des événements de transport vésiculaire ciblé entre les compartiments. L’identité des compartiments et le transfert ciblé entre ceux-ci fait intervenir d’une part des GTPases comme la famille Rab ou Arf, d’autre part des lipides spécifiques comme les phosphoinositides (Behnia and Munro, 2005). On ne développera pas ici les mécanismes moléculaires permettant la fusion physique des bicouches lipidiques, qui font intervenir des complexes de protéines transmembranaires appelées SNAREs (Soluble

N-ethylmaleimide sensitive factor Attachement protein REceptors) (Bonifacino and Glick, 2004).

Les GTPases Rab (Ras-related GTP binding protein) et Arf (ADP-rybosilation factor), membres de la superfamille des protéines Ras, sont des interrupteurs moléculaires pouvant exister à l’état actif lié au GTP, ou à l’état inactif lié au GDP. L’état inactif est soluble et cytosolique, tandis que l’état actif est lié aux membranes. Ceci permet aux protéines Rab de s’associer à la membrane de certains compartiments de manière spécifique et d’y recruter d’autres protéines membranaires. Comme la liaison entre les GTPases et les membranes dépend de l’activité GTPase, les vésicules peuvent échanger rapidement les GTPases qui leur sont associées et ainsi traverser différents

compartiments identifiés (Rink et al., 2005). Il existe une soixantaine de Rab chez les mammifères, et beaucoup ont un rôle dans le transport intracellulaire, en association avec des organelles spécifiques. L’ancrage à la membrane se fait grâce à des résidus prénylés situés au niveau de la queue carboxyterminale (Figure 9A). Lorsqu’elles sont inactives, les protéines Rab sont liées au GDP et forment un complexe cytosolique avec une protéine appelée GDP-Dissociation Inhibitor (GDI). Le GDI masque les groupes prénylés et empêche l’association aux membranes. D’autres protéines appelées GDI Displacement Factors (GDF) catalysent la dissociation du complexe Rab-GDI, permettant l’insertion des groupes prénylés dans la membrane (Pfeffer and Aivazian, 2004). Une fois ancrée dans la membrane, la protéine Rab est activée par remplacement du GDP en GTP, favorisé par un Guanine nucléotide Exchange Factor (GEF). La protéine Rab ainsi activée peut interagir avec ses effecteurs. L’activité GTPase intrinsèque des protéines Rab est en général très faible, et l’intervention d’une GTPase Activating Protein (GAP) qui stimule l’hydrolyse du GTP est nécessaire. La protéine Rab redevenue inactive est alors retirée de la membrane par les GDI libres du cytosol. Des protéines Rab différentes sont présentes à la surface des différentes organelles, participant à la définition de leur identité moléculaire et fonctionnelle (Zerial and McBride, 2001). Le mécanisme gouvernant la spécificité de la présence des Rabs actives sur certaines organelles est peu connu, mais il est probable qu’il fait intervenir le ciblage dû aux différences entre les Rab elles-mêmes au niveau des domaines hypervariables (Chavrier et al., 1991) ainsi que la distribution différentielle des différents GDF et GEF (Pfeffer, 2005). Dans le système endosomal, les Rabs les mieux caractérisées sont Rab5, Rab4, Rab11, Rab7 et Rab9 (Figure 10).

Rab5 est présente sur les endosomes précoces et peut recruter de nombreuses protéines accessoires comme le facteur de fusion endosomal EEA1 (Early Endosomal Antigen 1) (Simonsen et al., 1998). Rab5 est associée aux vésicules endocytiques dès leur détachement de la membrane plasmique, et est également présente au niveau des endosomes de tri (Bucci et al., 1992). Deux protéines Rab sont impliquées dans les voies de recyclage à partir des endosomes de tri et des endosomes de recyclage : Rab4 intervient dans les voies de recyclage rapide à partir des endosomes de tri et des endosomes de recyclage (van der Sluijs et al., 1992), tandis que Rab11 est préférentiellement associée aux voies recyclage lent depuis les endosomes de recyclage (Ullrich et al., 1996; Sonnichsen et al., 2000). Deux autres GTPases, Rab7 et Rab9, sont associées aux voies de maturation/dégradation et présentes à la surface des endosomes tardifs (Lombardi et al., 1993; Feng et al., 1995).

En ce qui concerne les GTPases Arf, la protéine Arf6 est présente à la membrane plasmique et possède un rôle dans l’endocytose. Les protéines Arf possèdent un groupe myristoylé qui est caché au sein de la protéine inactive (liée au GDP). Lorsque la protéine est activée par un GEF qui échange le GDP par du GTP, le changement de conformation expulse les résidus myristoylés de la structure et Arf s’ancre à la membrane, puis interagit avec ses effecteurs (Figure 9B). Comme pour les Rab, l’action d’un GAP est nécessaire pour l’hydrolyse du GTP et le retour de la protéine Arf à sa forme inactive cytosolique. À la membrane plasmique, Arf6 permet le recrutement des enzymes synthétisant le PtdIns(4,5)P2, dont le rôle dans la formation des puits recouverts de clathrine a été évoqué plus haut (Krauss et al., 2003). De manière générale, les lipides phosphoinositides jouent un

Figure 9 : Mécanismes de l’action des GTPases Rab et Arf

A/ Les protéines Rab possèdent un résidu prénylé qui est masqué à l’état inactif (lié au GDP) par un GDP Dissociation Inhibitor (GDI). Sous l’action d’un GDI Displacement Factor (GDF), la Rab est libérée du GDI et s’accroche aux membranes (à gauche). Le Guanine nucléotide Exchange Factor (GEF) peut dès lors favoriser le remplacement du GDP par du GTP, activant la Rab qui interagit avec ses effecteurs (à droite). Le GTP est finalement hydrolysé avec l’aide d’une GTPase Activating Protein (GAP), ce qui inactive la Rab qui est ensuite retirée de la membrane par le GDI cytosolique (de droite à gauche).

B/ Les protéines Arf ont un mécanisme d’action similaire, mais le domaine d’accrochage membranaire est myristoylé. L’ancrage dans la membrane est favorisé par l’activation de la protéine, c'est-à-dire le chargement du GTP.

rôle important dans l’établissement de l’identité des organelles (De Matteis and Godi, 2004) (Figure 10). Au niveau du système endosomal, PtdIns(4,5)P2 permet le recrutement des puits recouverts de clathrine à la membrane plasmique et constitue également le point de départ de la synthèse de seconds messagers lipidiques comme le DAG et l’inositol triphosphate Ins(3,4,5)P3. Un autre phosphatidylinositol, PtdIns(3)P (ou PIP3), est synthétisé par la PI3-Kinase (phosphatidylinositol-3-kinase), et enrichi au niveau des endosomes de tri, interagissant avec de nombreuses protéines qui possèdent un motif protéique FYVE ou PX.