Biologie cellulaire@Yale

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Organelles liées aux membranes

Les cellules eucaryotes contiennent des collections de protéines qui fonctionnent comme une unité appelée organelles. Certains de ces organites sont entourés d’une membrane dont la structure est similaire à celle de la membrane cellulaire, mais dont la composition en protéines et en phospholipides est différente.

Les organites liés à une membrane offrent plusieurs avantages aux cellules eucaryotes. Premièrement, les cellules peuvent concentrer et isoler les enzymes et les réactifs dans un volume plus petit, ce qui augmente la vitesse et l’efficacité des réactions chimiques. Deuxièmement, les cellules peuvent confiner des protéines et des molécules potentiellement dangereuses dans des organites liés à la membrane, protégeant ainsi le reste des cellules de leurs effets nocifs. Par exemple, le lysosome, qui est un organite lié à la membrane, contient de nombreuses enzymes qui digèrent les protéines, les acides nucléiques et les lipides. Si ces enzymes étaient libérées dans le cytosol, elles pourraient ronger les protéines, les acides nucléiques et les lipides de la cellule, entraînant la mort cellulaire. La membrane qui entoure le lysosome maintient ces enzymes digestives à l’écart du reste de la cellule.

Organes et protéines ne sont généralement pas répartis au hasard dans la cellule, mais sont organisés en les localisant dans les régions où ils sont nécessaires. La cellule utilise des microtubules et des protéines motrices pour aider à localiser les organelles. Les microtubules sont de longs filaments qui s’étendent dans tout le cytoplasme. Deux types de protéines motrices, les kinésines et les dynéines, marchent le long des microtubules et génèrent de la force pour tirer les organites dans le cytoplasme.

Les microtubules sont des polymères d’un hétérodimère de tubuline alpha et bêta. La tubuline se polymérise en protofilaments linéaires et un microtubule contient 13 protofilaments disposés en cylindre avec un noyau creux. Les microtubules sont polarisés en une extrémité négative et une extrémité positive. Les microtubules se développent à partir de leur extrémité positive en ajoutant des sous-unités de tubuline. Les extrémités négatives des microtubules sont instables et sont stabilisées par les protéines du centre d’organisation des microtubules (MTOC). Si le MTOC se trouve au centre d’une cellule, les microtubules rayonnent vers l’extérieur avec leurs extrémités plus vers la membrane plasmique

Les kinésines et les dynéines se déplacent le long des microtubules en utilisant l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP. Ces deux ensembles de protéines contiennent des domaines moteurs qui se lient aux microtubules et hydrolysent l’ATP. Les domaines moteurs génèrent le mouvement le long des microtubules. La plupart des kinésines se déplacent vers l’extrémité positive des microtubules, tandis que la dynéine se déplace vers l’extrémité négative. Les cellules disposent ainsi de deux outils pour contrôler la distribution des organites le long des microtubules. Les kinésines et les dynéines contiennent également un domaine de liaison à la cargaison qui les relie à différents organites. Les kinésines constituent une grande famille de protéines et le domaine de liaison au fret est le plus divergent, ce qui permet à différents membres de la famille des kinésines de se lier à différents organites. La dynéine est un grand complexe de plusieurs protéines et la façon dont elle fixe le cargo est moins claire.

Les filaments d’actine favorisent également le transport de matériel cellulaire, mais sur des distances beaucoup plus courtes que les microtubules. Les filaments d’actine sont un polymère d’actine qui est une petite protéine globulaire. Le filament d’actine est un réseau hélicoïdal d’actine et, comme les microtubules, il possède une extrémité positive et une extrémité négative, les filaments se développant plus facilement à partir de leur extrémité positive. Les filaments d’actine n’ont pas les contacts latéraux étendus des microtubules et sont généralement beaucoup plus courts que les microtubules. Les filaments d’actine ont tendance à se localiser près de la membrane cellulaire où ils fournissent un soutien structurel.

Les myosines sont une classe de protéines motrices qui peuvent générer une force le long des filaments d’actine. Certaines myosines sont impliquées dans la contraction cellulaire (c’est-à-dire la contraction des muscles), tandis que d’autres soutiennent le mouvement et le positionnement des organites. Les myosines de classe V sont impliquées dans le transport des organites dans plusieurs types de cellules. Similaire à la structure de la kinésine, les myosines de classe V contiennent un domaine moteur qui se lie aux filaments d’actine et utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP pour se déplacer le long des filaments. L’extrémité C-terminale de la myosine V se lie aux organelles.

Pour transporter et positionner les organelles, les cellules utilisent souvent à la fois les microtubules et les filaments d’actine. Les microtubules, les kinésines et les dynéines sont utilisés pour déplacer les organelles sur de longues distances (plusieurs microns ou plus), tandis que les filaments d’actine transportent les organelles sur de courtes distances (par exemple, près de la membrane plasmique). Souvent, un organite contient plus d’un type de protéine motrice (par exemple, la kinésine et la myosine V) pour permettre aux cellules d’utiliser les deux ensembles de filaments pour positionner l’organite.

Séquences de signal

Pour maintenir l’identité et la fonction des différents organites et de la membrane plasmique, les cellules doivent cibler des protéines spécifiques aux organites et autres compartiments intracellulaires. La plupart de ces protéines contiennent une courte séquence, appelée séquence signal, qui détermine leur localisation intracellulaire. Les séquences signal peuvent être localisées n’importe où dans une protéine, mais on les trouve souvent à l’extrémité N-terminale. Les séquences signal qui ciblent les protéines vers le même organite ne partagent souvent pas la même séquence primaire. Ce sont généralement les propriétés biochimiques globales de la séquence qui déterminent si elle cible une protéine vers un organite. Les séquences signal sont utilisées pour importer à la fois des protéines solubles et des protéines membranaires intégrales.

Importer des protéines dans les organelles membranaires

Parce que les membranes qui entourent les organelles limitent le passage des protéines, les organelles ont évolué vers différents mécanismes pour importer des protéines du cytoplasme. La plupart des organites contiennent un ensemble de protéines membranaires qui forment un pore. Ce pore permet le passage des protéines ayant la bonne séquence de signal. Certains pores (RE, mitochondries) ne peuvent accueillir que des protéines dépliées, alors que d’autres pores (noyau, peroxysome) laissent passer les protéines repliées.

Cibler les protéines sur le réticulum endoplasmique

Les protéines destinées à la sécrétion, à la membrane plasmique ou à tout organite de la voie sécrétoire sont d’abord insérées dans le RE. La plupart des protéines traversent le RE de manière cotranslationnelle, étant synthétisées par les ribosomes sur le RE. Les protéines solubles (protéines qui résident dans la lumière des organites ou qui sont sécrétées) et les protéines intégrales de la membrane sont ciblées vers le RE et transloquées par le même mécanisme.

La séquence signal des protéines du RE réside généralement à l’extrémité N-terminale. La particule de reconnaissance du signal (SRP), un complexe composé de 6 protéines et d’un ARN, se lie à la séquence signal immédiatement après sa traduction. La SRP interagit également avec le ribosome et arrête la traduction. La surface des membranes du RE contient un récepteur pour la SRP. Le récepteur de la SRP recrute la SRP, la protéine ER naissante et le ribosome dans le RE. Le récepteur de la SRP libère la SRP de la séquence signal et permet à la traduction de continuer sur la membrane du RE.

Les ribosomes sur la membrane du RE se lient à la protéine translocatrice. Le translocateur est une protéine transmembranaire qui forme un pore aqueux. Le pore est le canal par lequel les protéines du RE nouvellement synthétisées seront transloquées à travers la membrane du RE. La traduction de la protéine du RE génère la  » force  » pour pousser la protéine du RE à travers le canal.

Les protéines solubles sont complètement transloquées à travers le canal ; la séquence signal reste dans le canal et est clivée du reste de la protéine par une protéase dans la lumière du RE.

Les protéines de la membrane intégrale contiennent une séquence de transfert d’arrêt en aval de la séquence signal. La séquence de transfert d’arrêt cesse la translocation à travers le canal et la partie de la protéine après la séquence de transfert d’arrêt réside à l’extérieur du RE. Les protéines de la membrane intégrale peuvent être transloquées de telle sorte que leur extrémité N-terminale ou C-terminale se trouve dans la lumière du RE. Les protéines dont l’extrémité C-terminale se trouve dans la lumière ont tendance à avoir une séquence signal interne. Le translocateur semble s’ouvrir d’un côté pour permettre aux protéines membranaires intégrales de diffuser dans la bicouche lipidique environnante.

Certaines protéines traversent la membrane plusieurs fois et ces protéines contiennent après la séquence de transfert d’arrêt une séquence de transfert de départ qui réinitialise la translocation de la protéine à travers le canal. Une protéine avec une séquence signal, un transfert d’arrêt et un transfert de départ traverserait la membrane deux fois avec une boucle résidant dans le cytosol ou la lumière. Pour générer des protéines qui enjambent la membrane plusieurs fois, la protéine aurait besoin de plusieurs séquences de transfert d’arrêt et de démarrage alternées.

Une fois que les protéines entrent dans le RE, elles se replient dans leurs structures tridimensionnelles. Plusieurs mécanismes existent pour aider à plier les protéines, notamment les chaperons et la glycosylation. Le RE contient également des mécanismes pour gérer les protéines qui ne parviennent pas à se replier.

Cibler les protéines dans les mitochondries

Bien que les mitochondries contiennent leur propre génome, la plupart des protéines mitochondriales sont codées par des gènes nucléaires, ce qui nécessite un mécanisme pour cibler et importer ces protéines dans les mitochondries. Comme les protéines importées dans le RE, les protéines mitochondriales contiennent une séquence signal qui les cible vers les mitochondries. Contrairement aux protéines du RE, les protéines mitochondriales sont importées de manière post-traductionnelle. Parce que les protéines doivent être dépliées pour transloquer à travers les canaux de la membrane mitochondriale, les protéines mitochondriales sont maintenues dépliées dans le cytosol par des chaperons.

L’importation de protéines dans les mitochondries est similaire à l’importation dans le RE mais est compliquée par la présence de deux membranes autour des mitochondries. Les protéines mitochondriales peuvent résider dans la membrane externe, la membrane interne, l’espace intermembranaire ou la matrice (espace à l’intérieur de la membrane interne).Ainsi, les mitochondries possèdent des translocateurs qui permettent le passage des protéines à travers la membrane externe et à travers la membrane interne. Le complexe TOM assure la médiation du passage à travers la membrane externe tandis que le complexe TIM assure la médiation du passage à travers la membrane interne.

Translocation des protéines dans les mitochondries

La séquence signal qui cible les protéines vers la matrice réside généralement à l’extrémité N-terminale. La séquence signal est reconnue par les protéines du complexe TOM. Le complexe TOM fait passer les protéines dans l’espace de la membrane interne où le complexe TIM dans la membrane interne fait passer la protéine dans la matrice. Les complexes TOM et TIM travaillent souvent ensemble pour transloquer une protéine à travers les deux membranes. La translocation à travers les membranes mitochondriales dépend de l’énergie. Les chaperons à l’intérieur de la matrice aident à « tirer » la protéine à travers la membrane interne et nécessitent une hydrolyse de l’ATP pour fonctionner. Les protéines se replient à l’intérieur de la matrice.

Les protéines ciblées sur la membrane interne utilisent un mécanisme similaire à celui des protéines de la matrice mais contiennent une séquence de transfert d’arrêt reconnue par le complexe TIM. Les protéines ciblées pour la membrane externe sont transloquées à travers la membrane externe dans l’espace intermembranaire, puis importées dans la membrane externe par le translocateur SAM. Les protéines ciblées pour l’espace intermembranaire sont partiellement insérées dans la membrane interne, puis clivées par une protéase et libérées dans l’espace membranaire interne.

Importation et exportation de protéines nucléaires

Contrairement à l’ER et aux mitochondries, le noyau importe principalement des protéines solubles. En outre, les protéines font souvent la navette entre le noyau et le cytoplasme et la cellule utilise l’import/export nucléaire pour réguler plusieurs voies biochimiques critiques. Le noyau est entouré de deux membranes dans lesquelles se trouvent des milliers de pores nucléaires par lesquels les protéines et autres macromolécules (ARN, ribsosomes) entrent et sortent du noyau. Les pores nucléaires sont stabilisés dans les membranes par les lamines, un réseau cytosquelettique qui sous-tend la membrane nucléaire interne et fournit un support structurel à la membrane. Le pore nucléaire limite le passage des matériaux en fonction de leur taille : les éléments de moins de 30 kD se diffusent librement à travers le pore, mais les grosses molécules ont besoin d’un moyen pour entrer et sortir. Les protéines qui circulent dans le noyau contiennent un signal d’importation nucléaire et celles qui doivent également sortir du noyau contiennent une séquence d’exportation nucléaire.

Distinguer le cytoplasme du nucléoplasme

Pour générer un transport dirigé des protéines dans et hors du noyau, les protéines doivent savoir si elles sont dans le cytoplasme ou à l’intérieur du noyau. Pour différencier le noyau du cytoplasme, les cellules utilisent une petite protéine de liaison au GTP appelée Ran. Comme toutes les protéines de liaison au GTP, Ran existe soit dans un état lié au GTP, soit dans un état lié au PIB. Deux protéines catalysent le passage d’un état à l’autre. La protéine Ran-GAP (GTPase activating protein) catalyse l’hydrolyse du GTP générant le Ran-GDP. Ran-GEF (guanine nucleotide exchange factor) catalyse la libération du GDP et la reconnexion du GTP, générant le Ran-GTP. Ran-GAP se localise du côté cytoplasmique des pores nucléaires alors que Ran-GEF s’associe à la chromatine et se localise donc au noyau. Par conséquent, la plupart des Ran dans le noyau sont liés au GTP et la plupart des Ran dans le cytoplasme sont liés au GDP.

Importation nucléaire

Les récepteurs (importines) lient les séquences d’importation nucléaire dans les protéines. Les importines interagissent également avec les filaments qui s’étendent du côté cytoplasmique des pores nucléaires. Par un mécanisme inconnu, les importines liées à leur cargaison traversent le pore nucléaire. À l’intérieur du pore, le complexe importine-cargo rencontre du Ran-GTP. Le Ran-GTP dissocie les importines de la cargaison, libérant les protéines cargo pour qu’elles fassent leur travail dans le noyau.

Exportation nucléaire

De nombreuses protéines qui entrent dans le noyau doivent être exportées vers le cytoplasme (par exemple les importines). Ces protéines contiennent une séquence d’exportation nucléaire qui interagit avec un récepteur appelé exportine. Le Ran-GTP se lie à ce complexe exportin-cargo et stabilise l’interaction. Le complexe exportin-cargo-Ran-GTP traverse le pore (mécanisme peu clair) où il rencontre Ran-GAP du côté cytoplasmique. Ran-GAP convertit le Ran-GTP en Ran-GDP provoquant la dissociation de l’exportine de son cargo.

Importation des protéines dans les peroxysomes et syndrome de Zelleweger

Les peroxysomes sont de petits organites (~ 1 µm de diamètre) qui remplissent diverses fonctions pour les cellules. Les peroxysomes métabolisent les produits chimiques nocifs (phénols, formaldéhyde, éthanol), métabolisent les acides gras et catalysent une étape de la synthèse du plasmalogène qui est un lipide présent dans la myéline.

Les protéines ciblées pour les peroxysomes contiennent une séquence signal qui est reconnue par une famille de protéines appelées protéines Pex. Certaines de ces protéines Pex se lient aux séquences de signal tandis que d’autres pour un pore dans la membrane des peroxysomes qui permet l’entrée des protéines des peroxysomes.

Les cellules qui contiennent des mutations dans les protéines Pex ne peuvent pas importer les protéines dans les peroxysomes et par conséquent, ces cellules manquent de peroxysomes. Les mutations des protéines Pex sont associées à un ensemble de maladies appelées syndrome de Zelleweger. Dans le cas du syndrome de Zelleweger, les nourrissons manquent de tonus musculaire et souvent de la capacité de téter. Les nourrissons présentent également des anomalies craniofaciales et une hypertrophie du foie. Le pronostic des nourrissons atteints du syndrome de Zelleweger est mauvais, la plupart d’entre eux ne survivant pas au-delà d’un an.

Parce que les peroxysomes contribuent à la synthèse d’un lipide présent dans la myéline, les patients atteints de la maladie de Zelleweger présentent souvent une mauvaise myélinisation des neurones. La myélinisation est essentielle à la fonction des neurones pour conduire les signaux vers les cellules cibles.

La myélinisation est un élément essentiel de la fonction des neurones.