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Introduction
La voie sécrétoire des cellules eucaryotes sert à envoyer des protéines et des lipides vers la membrane plasmique et certains organites liés à la membrane et à libérer du matériel à l’extérieur de la cellule. Il existe deux types de sécrétion : constitutive et régulée. La sécrétion constitutive est la voie par défaut et sert principalement à reconstituer le matériel au niveau de la membrane plasmique et de certains organites liés à la membrane. La sécrétion régulée se termine par des vésicules sécrétoires qui stockent le matériel sécrété jusqu’à ce qu’un signal déclenche la fusion avec la membrane plasmique. Les deux types de sécrétion utilisent la même voie, mais les séquences de signaux détournent les protéines vers la voie régulée. Les cellules récupèrent également du matériel de la membrane plasmique par endocytose. Ce matériel peut être soit recyclé vers la membrane plasmique, soit dégradé dans le lysosome.
Principes de la voie sécrétoire
Les protéines et les lipides sont synthétisés dans le RE puis transportés vers le Golgi. Les protéines sont triées dans le Golgi et envoyées vers la membrane plasmique, le lysosome ou les vésicules sécrétoires. Le transport des protéines et des lipides entre les compartiments membranaires est assuré par des vésicules qui bourgeonnent d’un compartiment et fusionnent ensuite avec le compartiment suivant. Les Rabs, les tethers et les SNAREs augmentent la probabilité que les vésicules fusionnent avec la bonne membrane cible. Les cellules maintiennent l’intégrité et la fonctionnalité du RE et du Golgi en empêchant les protéines résidentes d’entrer dans les vésicules et en récupérant les protéines qui s’échappent.
Glycosylation
La glycosylation est la fixation covalente des sucres aux protéines qui se produit pour la plupart des protéines dans le RE. La glycosylation aide les protéines à se replier, cible les protéines vers des organites spécifiques (par exemple, le lysosome) et inhibe la protéolyse. En outre, de nombreuses protéines à la surface des cellules et dans la matrice extracellulaire qui entoure les cellules sont fortement glycosylées pour diverses raisons biologiques.
La glycosylation liée à l’azote se produit dans le RE et implique l’ajout d’un groupe de 14 sucres au groupe amine des asparagines. Les groupes contiennent un mélange de N-acétylglucosamine, de mannose et de glucose. Les résidus de glucose sont éliminés dans le RE avant que la protéine ne soit transportée vers le Golgi. Dans le Golgi, les chaînes latérales de sucre peuvent être encore modifiées par l’élimination et l’ajout de différents sucres.
La glycosylation liée à l’oxygène est la deuxième forme et implique l’ajout de sucres aux sérines ou aux thréonines. La glycosylation O-liée commence probablement dans le Golgi par l’ajout d’un seul sucre. D’autres enzymes ajoutent des sucres par groupes de deux et les chaînes latérales de sucre peuvent devenir extrêmement longues.
Le complexe de Golgi est un empilement de citernes membranaires aux compositions biochimiques uniques. Les citernes sont généralement appelées réseau de Golgi cis, médian, trans et trans, les protéines entrant dans le cis à partir du RE et sortant du TGN. Les cisternes semblent contenir un ensemble unique d’enzymes qui modifient les chaînes latérales de sucre sur les protéines. Par exemple, le mannose est retiré principalement dans la cisterna médiane alors que le galactose est ajouté dans la cisterna trans.
Transport vésiculaire
Le transport entre les compartiments membranaires est médié par de petites vésicules. Les vésicules contiennent une enveloppe protéique qui dirige la formation des vésicules et recrute les protéines dans les vésicules. Les vésicules sont dirigées vers le bon compartiment par une combinaison de protéines Rab et SNARE. Les Rab sont une grande famille de petites protéines de liaison au GTP, et chaque compartiment membranaire de la voie sécrétoire semble contenir une protéine Rab unique. Les SNARE sont des protéines présentes sur les vésicules et les compartiments membranaires qui s’associent pour faciliter la fusion. Les SNAREs comprennent une autre grande famille de protéines et différents compartiments contiennent probablement des protéines SNARE uniques.
Formation des vésicules
La formation des vésicules à partir du RE est la plus clairement comprise et servira d’exemple de la façon dont les vésicules se forment. Le mécanisme est probablement similaire pour d’autres compartiments. L’assemblage d’un manteau protéique conduit la formation et l’assemblage du manteau commence par la liaison de la petite protéine de liaison au GTP Sar1. Sar1-GTP s’associe au RE et insère une petite hélice dans le feuillet externe de la bicouche de la membrane du RE pour initier la courbure de la membrane. Sar1-GTP recrute deux autres ensembles de protéines qui constituent l’enveloppe de la vésicule : le complexe Sec23-Sec24 qui se lie aux protéines cargo et le complexe Sec13-Sec31 qui contribue à la formation de la vésicule. La sélection de la cargaison pour la plupart des protéines nécessite une séquence signal qui interagit avec le complexe Sec23-24. Les protéines solubles présentes dans la lumière du RE s’associent à des récepteurs de charge qui contiennent une séquence signal qui se lie au complexe Sec23-Sec24. Le complexe de revêtement qui entoure les vésicules provenant du RE est appelé COP II.
Targeting Vesicles to Correct Compartment
Deux ensembles de protéines semblent aider les vésicules à fusionner avec la bonne membrane cible. Un ensemble implique des tethers qui se localisent aux compartiments membranaires cibles et interagissent avec les composants de l’enveloppe de la vésicule. Plusieurs tethers différents ont été identifiés dans les cellules et chacun semble se localiser dans un compartiment distinct. Les tethers forment des structures qui s’étendent de la membrane du compartiment jusqu’au cytosol. Cela peut aider les tethers à interagir avec les vésicules arrivant du compartiment membranaire précédent.
Un deuxième ensemble de protéines qui aide à cibler correctement la vésicule sur la membrane appropriée est les SNARE. Les SNAREs assurent également la médiation de la fusion entre les membranes. Les vésicules contiennent une protéine SNARE (vSNARE) et les compartiments membranaires contiennent 2 à 3 protéines SNARE (tSNARE). Les protéines SNARE des vésicules et des compartiments membranaires interagissent de manière spécifique. Les cellules animales expriment 35 protéines SNARE différentes, mais seuls certains ensembles de SNARE interagissent entre eux. En localisant ces SNARE qui interagissent uniquement sur les vésicules et leur membrane cible, les cellules s’assurent que les vésicules fusionnent avec leur bonne membrane cible.
Fusion membranaire
Les protéines SNARE médient la fusion entre les vésicules et leur compartiment membranaire cible. Les protéines SNARE contiennent de longues régions qui forment des structures hélicoïdales. Les domaines hélicoïdaux des vSNAREs et des tSNAREs interagissent et semblent se refermer. On pense que l’énergie libérée par l’appariement complet des vSNAREs et des tSNAREs entraîne la fusion entre la membrane de la vésicule et la membrane du compartiment, bien que le mécanisme exact reste obscur.
Certaines vésicules s’amarrent à leur membrane cible mais ne fusionnent pas. Par exemple, les vésicules sécrétoires stockent des protéines et d’autres petites molécules jusqu’à ce que la cellule reçoive le signal de les libérer. Certaines vésicules sécrétoires s’amarrent à la membrane plasmique grâce à l’interaction des vSNARE et des tSNARE, mais les SNARE ne peuvent pas s’apparier complètement pour entraîner la fusion de la membrane. Des signaux externes déclenchent la levée de l’inhibition de l’appariement, permettant aux vésicules de fusionner avec la membrane plasmique.
Tri des protéines dans le réseau trans-Golgi
Au moment d’atteindre le réseau trans-Golgi, la plupart des protéines sont ciblées vers leur destination finale. La voie par défaut semble être le transport vers la membrane plasmique, car cette dernière doit continuellement remplacer les lipides et les protéines. D’autres protéines sont triées vers les lysosomes et les vésicules sécrétoires. Le signal pour envoyer une protéine vers le lysosome implique la chaîne latérale de sucre. La plupart des protéines lysosomales contiennent du mannose 6-phosphate qui est ajouté dans le cis-Golgi. Le récepteur qui lie le mannose 6-phosphate réside dans le réseau trans-golgi et recrute les protéines de revêtement dans le réseau trans-golgi. La clathrine forme l’enveloppe de ces vésicules, et celles-ci accumulent des protéines lysosomales avant de bourgeonner du réseau trans-golgi. Ces vésicules fusionnent avec les endosomes. La lumière des endosomes a un faible pH, ce qui entraîne la dissociation du récepteur du mannose 6-phosphate des protéines lysosomales. Le récepteur du mannose 6-phosphate est renvoyé dans le réseau trans-Golgi et la vésicule contenant les protéines lysosomales mûrit en un lysosome fonctionnel.
Certaines protéines sont triées dans des vésicules sécrétoires qui stockent ces protéines jusqu’à ce que la cellule soit signalée pour les libérer. Le mécanisme de par lequel les protéines sont triées dans les vésicules sécrétoires car ces protéines ne partagent pas une séquence de signal de tri commune.
Endocytose
Les cellules ne libèrent pas seulement du matériel vers l’environnement extérieur mais elles prennent également du matériel de l’extérieur de la membrane plasmique par endocytose. Il existe plusieurs formes d’endocytose.
La phagocytose permet à certaines cellules (macrophages, neutrophiles) d’engloutir et de prendre en charge de grosses particules comme les micro-organismes et les cellules mortes. La phagocytose implique la protrusion de la membrane plasmique autour de la particule. La protrusion est entraînée par la polymérisation de l’actine. La membrane plasmique finit par entourer la particule et fusionne pour l’enfermer complètement et former une grande vésicule endocytique.
La pinocytose forme des vésicules beaucoup plus petites (~ 100 nm) et permet aux cellules d’absorber de petites quantités de liquide extracellulaire et des portions de la membrane plasmique. Une forme de pinocytose est l’endocytose médiée par la clathrine qui permet aux cellules de prendre des protéines spécifiques de la surface cellulaire.
L’endocytose médiée par la clathrine commence par la formation d’une fosse dans la membrane plasmique. La fosse est entourée du côté cytoplasmique par des protéines adaptatrices qui relient la clathrine à la fosse. Les adaptateurs interagissent également avec les protéines de la membrane plasmique qui sont ciblées pour l’endocytose. La fosse peut accueillir environ 1000 protéines. La polymérisation de la clathrine entraîne la formation d’une vésicule qui finit par se détacher de la membrane plasmique. La GTPase dynamine catalyse la réaction de pincement. Les vésicules recouvertes de clathrine fusionnent avec les endosomes où le faible pH dissocie les ligands des récepteurs. Certaines protéines sont ensuite renvoyées vers la membrane plasmique tandis que d’autres sont dirigées vers le lysosome où elles sont dégradées.