FUSION ENTRE VÉSICULES PHOSPHOLIPIDIQUES

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Submitted on 1 Jan 1973

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FUSION ENTRE VÉSICULES PHOSPHOLIPIDIQUES

C. Taupin

To cite this version:

C. Taupin. FUSION ENTRE VÉSICULES PHOSPHOLIPIDIQUES. Journal de Physique Colloques,

1973, 34 (C8), pp.C8-11-C8-12. �10.1051/jphyscol:1973806�. �jpa-00215359�

FU SION ENTRE VÉSICULES P H 0 SPHOLIPIDIQUES

C.

TAUPIN

(*)

Stauffer Laboratory for Physical Chemistry, Stanford University, California 94305

USA

Résumé. - Diverses expériences montrent que les petites vésicules de dipalmitoyl phosphatidyl choline fusionnent en donnant naissance à de plus grosses vésicules lorsqu'elles sont conservées plusieurs heures à des températures supérieures à 40 OC. Les expériences comportent des études a) de l'augmentation du volume interne due à la fusion, b) de la décroissance du rapport de l'aire extérieure à l'aire intérieure et c) le mélange des contenus de 2 populations différentes. Divers agents induisant la fusion ont été étudiés.

Abstract. - A variety of experiments show that small ( - 300A diameter) single cornpartment vesicles of dipalmitoyl phosphatidyl choline undergo fusion to produce larger vesicles in periods of several hours at temperatures of the order of 40 "C or above. The experiments include studies of a) the increase of internal contents due to increase in volume/surface ratio of the vesicles arising from fusion, b) the decrease in (outer surfàce)/(inner surface) ratio due to fusion and, c) the mixing of the internal contents of two different populations of vesicles. The action of several fusion includ- ing agents is correlated with aggregation of the vesicles and fragility of the bilayer.

1. Introduction.

- Les systèmes phospholipides- eau donnent naissance à des structures variées, iden- tifiées par des études aux rayons

X

[l]. Une intense sonification des phases lamellaires comportant un excès d'eau, provoque I'apparition de « vésicules », objets approximativement sphériques (dia- mètre

-

²⁵⁰

^A),

comportant environ 3 000 molé- cules et constitués cl'uiie seule bicolrclie de molécules (épaisseur

-

⁵⁰

^A)

délimitant un compartiment aqueux clos [2]. Ces vésicules, préparées à partir de la lécithine extraite du jaune d'ceuf et purifiée par chromatographie sont stables au cours du temps.

EIles o n t donné lieu à diverses études permettant de déterminer leurs caractéristiques géométriques [3].

D'autre part, l'existence d'un intérieur et d'un exté- rieur a permis de les utiliser pour étudier certaines propriétés des ineiiibraries liées à leur fonction de séparation entre deux iiiilieux différents. Certaines de ces études : diffusion des ii~olécules en travers et dans la bicouche, potentiel de membrane ont été el'fectiiées par la technique des iiiarqiieurs de spin

[4].

O n peut, en utilisant d'autres phospholipides, et dans certaines conditions. obtenir des vésicules évo- luant au cours du teiiips et subissant une « fusion ⁾⁾ analogue

i

celle des cellules biologiqiies [j]. On peut définir de façon « topologique »

ILI

fusion de deus vésicules p a r la formation d'une vésicule plus grosse, formée d'une seule bicouche et avec préservation du contenu intérieur (qui est indispensable pour que le phénomène observé soit analogue à une fusion biologique).

Biologiqueineiit la fusion est observée soit sur des cellules entières, elle sert alors d'outil génétique,

soit sur des organes intracellulaires comme par exemple les vésicules synaptiques qui fusionnent avec la membrane pour permettre la libération du média- teur chimique.

II paraissait intéressant d'étudier si des systèmes purement lipidiques présentaient ce phénomène et ainsi d'accéder à une meilleure compréhension physico- chimique de In fusion.

2. Matériel

et méthodes. -

La

Iécithine utilisée

n

été essentiellement une Iécithine synthétique saturée : la dipalrnitoyl Iécithine (DPL) qui a l'avantage de prk- senter une transition de phase à 41 OC (In « fusion ⁾⁾ des chaînes paraffiniques des acides palmitiques esté- rifiant deux des fonctions alcools du glycérol) dont l'étude permet donc d'apprécier l'état de dksordre des molécules. Divers marqueurs ont été utilisés :

- U n phospholipide marqué nu milieu de In chaîne en

fi

d'acide palmitique (1) (don de

B. G.

Mc Farland) qui permet donc de détecter l'état de fluidité dc Iri

partie interne parafinique d e la bicouche ;

- Un ii1;irqiieur. soluble exclusivenient dans I'c~iu.

le clilorure de tempocholine

(II)

(don de

R . D.

Kornberg). Ce marqueur ne traverse pas les bicoucties ct est aisénient réduit par l'ascorbate de sodiuiii avec pour conséquence la disparition du signal R P E :

il

permet donc de « marquer ^>) sélectivement l'inté- rieur des vésicules et donc d'observer l'évolution du voluiiie intérieur total d'une population de vésicules ;

- U n pliospliolipide niarqué sur la tête polaire ( I l l ) (don de

R.

D. Kornberg) qui a permis, en utilisant les propriétés réductrices de I'ascorbnte de sodium, d'étudier I'échnnee et le transfert de phospholipides -

(*) Arlresse perttlniietife : Laboratoire de Physiq~ie de la extérieurs et intérieurs au cours de

la

fusion (méthode Matière condensée, Collège de France, I I , place M:ircelin- de

R. D.

Kornberg) [41. Ce

dernier

^est Berthelot, 75231 Paris Cedex 05. donc un marqueur des surfaces.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973806

C8-12 C. TAUPIN

3. Mise en évidence de

la fusion. - Les vésicules vésicules contenant une faible concentration d e obtenues avec la DPL ont les caractéristiques des tempocholine (aquosoluble)

à

des vésicules conte- vésicules de Iécithine de jaune d'œuf: en particulier nant des ions M n + + en concentration telle que le leur volume intérieur est le même et le rapport de la mélange direct des contenus provoquant la disparition surface intérieure

à

la surface extérieure est de l'ordre par élargissement du signal R P E de la tempocho- de 0,3.

La première évidence relative

à

la fusion des vési-

cules est montrée par la figure aqueuses non soniquées de DPL exhibent une tran- 1. Les dispersions 2 f,

^{2 0 0}

F,<S*MPLE

^a

sition brutale

à

41 OC et qui peut être détectée par le 2 5

- -

- 1

_,

_I

marqueur

1.

Cette transition, qui est floue dans le

cas de vésicules fraîchement préparées devient plus

^{I I}

abrupte avec le temps, ce qui indique un accroissement k'

^{l o O 4,AMPLE b / f '}

O

=

. _ _ _ _ _ _ _ - - C -

de la coopérativité du phénomène et une augmenta- a ^$

^I

,,""'

1

^I

tion d u nombre de molécules par vésicule. i

Dans le cas de ces très petites vésicules (250 A)

à

parois relativement épaisses (50 A) des considéra- tions géométriques élémentaires montrent que la fusion s'accompagne d'un important accroissement du volume intérieur et de transfert de phospholipides de la couche extérieure vers la couche intérieure.

Ces deux effets ont été vérifiés expérimentaleinent, respectivement par l'emploi des inarqiieurs I I et III.

Le mélange et la préservation des contenus inté- rieurs des vésicules au cours de la fusion ont été mis en évidence par des expériences de mélange de deux populations de vésicules de contenus intérieurs différents. L'une d'elles a consisté

à

mélanger des

line intérieure mais telle que toute dilution du M n i + (comme celle résultant d'une

⁽⁽

fuite » vers le milieu extérieur et réincorporation aux vésicules) annulait cet effet. La figure 2 montre l'évolution au cours d u temps du volume intérieur de deux populations de vésicules

:

dans le cas de l'échantillon 6, mélange, o n n'observe pas une croissance mais une décroissance du contenu intérieur des vésicules dopées au M n C + . Cet effet s'annule d'ailleurs au cours du temps en raison de la dilution progressive du M n i + .

4.

Facteurs

influenyant

la fusion.

- II est apparu en cours d'étude que les vésicules de dipalmitoyl lécithine très pure ne fusionnaient pus

[ 6 ] .

Les substaiices induisant la fusion dans les sys- tèines biologiques l'induisent également pour ces systèmes modèles (lysolécithine, ions Caf

+).

Les substances qui rendent ln membrane fragile (et qui provoquent dans certaines conditions

la

rupture des vésicules) auginentent le taux de fusion. Quelques points, relatifs au inécunisrne de cette fusion ont été établis

:

-

L'agrégation des vésicules (que l'on peut bloquer en les chargeant électrostatiqueinent par dopage avec des phospholipides chargés) est néces- saire

à

la fusion,

- Pendant la fusion, intérieur et extérieur de la bicouche se mélangent.

Bibliographie

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[ 5 ] TAUPIN, C. and MCCONNELL, H. M., à paraître dans Pro-

ceedings of the 8111 FEBS Meeting An-isterdarn, août 1972.

[6] THOMAS, D. et MCCONNELL, H. M., communication privée.