Morphologie de l'autophagosome lors de sa formation

La forme de l'autophagosome évolue au cours de sa croissance. Au départ le PA adopte une forme de coupe, puis en grandissant il tend à se refermer et adopte une forme plus sphérique pour nalement se refermer et former une vésicule à double membranes. Ces changements de morphologie de la membrane ont immédiatement intrigué les chercheurs qui ont alors étudié les mécanismes sous-jacents permettant de telles modications.

Des études menées sur des cellules, dans lesquelles l'autophagie avait été induite, ont révélé au microscope électronique et à la tomographie 3D que l'ER formait un moule pour le PA croissant (Fig. 2.8) et agirait comme un guide ce qui permet- trait au PA d'adopter cette forme de coupe [47]. Lorsque le PA avait achevé sa croissance et était devenu un autophagosome alors la partie de l'ER constituant

Figure 2.7: Composition en phospholipides des organelles de Sac- charomyces cerevisiae. PC, phosphatidylcholine ; PE, phosphatidylethano- lamine ; PI, phosphatidylinositol ; PS, phosphatidylserine ; CL, cardiolipin ; PA,

phosphatidic acid ; ND, not detectable. Extrait de [46].

le moule externe n'était plus visible. Une autre observation sur ces mêmes expé- riences supportait l'hypothèse d'une origine de la membrane de l'autophagosome dans l'ER en montrant une connexion de la membrane moule de l'ER avec le PA (Fig. 2.9) [48].

Figure 2.8: PA moulé dans l'ER. Photo au microscope électronique du PA (pointé par les triangles noirs) noté ici IM pour isolated membrane et de l'ER (èche noire) de cellules MIH 3T3. Les triangles blancs indiquent des amas de vésicules proche du PA et la èche blanche l'autophagosome (photo en bas à

Figure 2.9: Tomographie 3D du PA croissant à l'intérieur d'un moule formé par l'ER. Les images (A  C) montrent le PA entier et le èches noires indiquent les grossissements qui correspondent aux images (D - G). Les images (D - G) montrent des grossissements des connections du PA avec l'ER. Extrait

de [48].

La croissance de l'autophagosome a aussi été étudiée théoriquement à travers des modèles qui prennent en compte les caractéristiques physiques de sa membrane. Le modèle proposé par Knorr [49] montre qu'un disque de membrane formé d'une double bicouche se referme pour former une vésicule à double membranes dans certaines conditions (Fig. 2.10).

Le disque de membrane est caractérisé par son rayon rsheet, et par le rayon de

courbure de la membrane aux bords du disque rrim (Fig.2.11). Selon la valeur du

rapport rsheet / rrim, il peut être énergétiquement accessible et plus favorable que

le disque se courbe et forme une vésicule à double membrane (voir les détails des calculs dans [49] (Fig. 2.12).

Ce modèle montre donc que l'évolution de la morphologie de l'autophagosome peut s'expliquer en considérant les caractéristiques physiques de la membrane.

Figure 2.10: Schéma de la croissance d'une organelle à double mem- brane selon le modèle proposé par Knorr. Extrait de [49].

Figure 2.11: Schéma du disque de membrane formé d'une double bi- couche. Extrait de [49].

Toutefois, ce modèle ne semble pas complètement validé par les observations ex- périmentales, puisque le knock out des protéines Atg8 par exemple révèle une présence anormalement élevée d'autophagosomes ouverts dans le cytosol [50, 51]. La croissance de l'autophagosome est donc aussi liée à une machinerie protéique qui module la forme de sa membrane.

Les observations faites en tomographie 3D des PAs au niveau de l'ER étaient réalisées sur des cellules dont l'autophagie avait été induite par déplétion de nu- triments [48], il s'agissait donc d'une autophagie non sélective. Des études sur l'autophagie sélective montrent que le PA croît directement sur les molécules à

Figure 2.12: Energie du disque membranaire selon sa courbure. (A) Schéma en coupe du disque à double membrane. Trois segments de membrane sont distingués ; le segment bas (ligne bleue pointillée), le segment haut (ligne verte), et les bords très courbés (rouge). Le feuillet est représenté dans trois congurations diérentes ; plate la courbure de chaque segment est égal à 0 (M1

= M2= 0), courbure positive du segment 2 (gauche, M2> 0) et courbure positive

du segment 1 (droite, M1 > 0). (B) Le graphique montre l'énergie de courbure

du disque (exprimée en une énergie de courbure réduite voir [49]) en fonction de rsheet M1 appelé courbure réduite, pour diérent rapport rsheet / rrim. Lorsque

la valeur du rapport augmente, la barrière énergétique entre une conguration plate de la membrane et une conguration courbée diminue. Extrait de [49].

dégrader probablement dans le but de limiter la destruction inutile d'une partie du cytosol. Prenons comme exemple un type d'autophagie sélective chez la levure, le cytoplasme-to-vacuole targeting pathway (Cvt), qui cible les protéases precur- sor aminopeptidase I (prApe1) présentes dans le cytosol pour les délivrer dans la vacuole (équivalent du lysosome chez la levure) [52]. Les protéines Atg19 ciblent les protéases prApe1 à dégrader et se xent sur elles, une fois liées, les protéines Atg19 se lient aux protéines Atg8 ancrées sur des membranes isolées ce qui permet une apposition directe des membranes sur les protéases prApe1.

Nous venons de décrire trois études distinctes qui tendent à expliquer la mor- phologie de l'autophagosome lors de sa croissance. La première chose que nous pouvons remarquer est que les mécanismes décrits sont diérents entre une auto- phagie sélective et non sélective. Il n'y a donc pas un seul mécanisme permettant la formation de l'autophagosome mais plusieurs et chacun d'eux ont lieu dans des conditions particulières, ce qui montre une capacité d'adaptation de l'autophagie à l'environnement. Un autre point important est les machineries protéiques qui interviennent lors de la formation de l'autophagosome. Dans le cas de l'autopha- gie sélective, elles permettent l'apposition directe des membranes isolées sur les molécules à dégrader. Nous savons aujourd'hui qu'il existe toute une famille de protéines qui intervient dans la formation de l'autophagosome, nous la décrirons dans la partie suivante2.3. La croissance de l'autophagosome peut aussi être abor- dée via un autre aspect qui prend en considération les propriétés physiques de la membrane. Le modèle proposé par Knorr montre qu'un disque de membrane formé d'une double bicouche, ayant des caractéristiques en taille et courbure spécique, tend à se refermer en une vésicule à double membrane pour optimiser son énergie. L'étude de la croissance de l'autophagosome doit donc prendre en compte les ma- chineries protéiques qui agissent sur la membrane et les propriétés physiques de la membrane.