B4 · Système endomembranaire
Trafic vésiculaire, protéines de manteau et adressage
Décrire le bourgeonnement, le transport et la fusion des vésicules entre compartiments. Présenter le rôle des manteaux protéiques et des protéines d'amarrage dans la spécificité de l'adressage.
Biologie cellulaire7 min de lecture15 QCM corrigés
Principes généraux du trafic vésiculaire
Le système endomembranaire regroupe des compartiments délimités par une membrane qui échangent des protéines et des lipides. Les fonctions propres du réticulum endoplasmique, de l'appareil de Golgi et des lysosomes sont traitées dans les fiches voisines. Ici, l'enjeu est de comprendre comment une molécule quitte un compartiment donneur et atteint spécifiquement un compartiment accepteur.
Une étape de transport comporte quatre opérations successives :
- sélection des molécules à transporter ;
- déformation puis scission de la membrane donneuse ;
- déplacement de la vésicule et reconnaissance de la membrane cible ;
- fusion des deux membranes et délivrance du contenu.
La membrane de la vésicule provient directement de la membrane donneuse. Les protéines transmembranaires conservent donc leur orientation pendant le transport : leur domaine cytosolique reste exposé au cytosol, tandis que leur domaine luminal reste dans la lumière de la vésicule.
Bourgeonnement et sélection de la cargaison
Le bourgeonnement débute par le recrutement de protéines cytosoliques sur une région précise de la membrane donneuse. Ces protéines concentrent les molécules à transporter et imposent une courbure à la bicouche lipidique.
La cargaison correspond aux protéines et aux lipides transportés. Une protéine transmembranaire peut être reconnue directement grâce à un motif de tri porté par son domaine cytosolique. Une protéine soluble située dans la lumière du compartiment doit, elle, se lier à un récepteur de cargaison transmembranaire. Le domaine luminal de ce récepteur fixe la molécule transportée, tandis que son domaine cytosolique interagit avec la machinerie de bourgeonnement.
Le manteau est généralement organisé en deux couches fonctionnelles :
- une couche interne reconnaît les protéines membranaires et leurs motifs de tri ;
- une couche externe forme une charpente qui accentue la courbure de la membrane.
La séparation finale du bourgeon, appelée scission, libère la vésicule. Dans certaines voies, la GTPase dynamine s'assemble autour du col du bourgeon et utilise l'hydrolyse du GTP pour favoriser cette scission.
Principaux manteaux protéiques
Trois grands systèmes de manteau organisent l'essentiel du transport vésiculaire du système endomembranaire.
Manteau COPII
Le manteau COPII assure principalement le transport antérograde du réticulum endoplasmique vers l'appareil de Golgi. La petite GTPase Sar1 liée au GTP s'insère dans la membrane et recrute les protéines Sec23 et Sec24. Sec24 participe à la sélection de la cargaison. Les protéines Sec13 et Sec31 constituent ensuite la charpente externe.
Manteau COPI
Le manteau COPI intervient surtout dans le transport rétrograde du Golgi vers le réticulum endoplasmique et dans certains échanges entre compartiments golgiens. Son assemblage dépend de la petite GTPase Arf1 liée au GTP, qui recrute un complexe protéique appelé coatomère.
Le transport rétrograde récupère les protéines résidentes ayant quitté leur compartiment ainsi que les récepteurs et les composants de transport qui doivent être réutilisés.
Manteau de clathrine
La clathrine forme une charpente en réseau sur la face cytosolique de la membrane. Elle ne reconnaît pas directement la cargaison ni la membrane : des protéines adaptatrices assurent cette liaison. Les vésicules à clathrine participent au transport depuis le réseau trans-golgien vers les endosomes et à l'endocytose depuis la membrane plasmique.
Décapage et transport de la vésicule
Après la scission, le manteau doit être retiré : cette étape est le décapage. L'hydrolyse du GTP porté par Sar1 ou Arf1 favorise le désassemblage du manteau. Les protéines nécessaires à la reconnaissance et à la fusion deviennent alors accessibles.
Le déplacement à courte distance peut résulter de la diffusion dans le cytosol. Sur de plus longues distances, les vésicules sont transportées le long du cytosquelette par des protéines motrices. Les microtubules et les filaments d'actine constituent des rails polarisés, tandis que les moteurs moléculaires convertissent l'énergie de l'ATP en mouvement orienté.
Reconnaissance et amarrage à la membrane cible
La reconnaissance repose sur plusieurs niveaux complémentaires. Les protéines Rab sont de petites GTPases associées à des membranes déterminées. Sous leur forme liée au GTP, elles recrutent des effecteurs capables d'interagir avec la vésicule, le cytosquelette ou la membrane cible.
L'amarrage comporte d'abord une capture à distance par des facteurs d'attachement, qui peuvent être de longues protéines filamenteuses ou des complexes multiprotéiques. Une Rab active portée par la vésicule ou la membrane cible reconnaît des effecteurs compatibles. Cette interaction ralentit la vésicule et la maintient à proximité du compartiment accepteur.
La correspondance entre une Rab et ses effecteurs fournit une première identité moléculaire. Elle prépare ensuite l'appariement des protéines SNARE, qui rapproche beaucoup plus étroitement les membranes.
Protéines SNARE et fusion membranaire
Une SNARE portée par la vésicule est traditionnellement appelée v-SNARE, tandis qu'une SNARE portée par la membrane cible est appelée t-SNARE. Leur association forme un complexe trans-SNARE reliant les deux membranes. Une classification structurale distingue aussi les Q-SNARE et les R-SNARE selon l'acide aminé central de leur motif d'interaction.
Les domaines cytosoliques des SNARE compatibles s'enroulent progressivement les uns autour des autres. Ce resserrement chasse l'eau située entre les bicouches et surmonte leur répulsion. Les feuillets externes se rejoignent, puis un pore de fusion s'ouvre. La cargaison soluble est alors délivrée dans la lumière du compartiment cible, tandis que les protéines et les lipides de la vésicule s'intègrent à sa membrane.
Après la fusion, les SNARE se trouvent dans la même membrane et constituent un complexe cis-SNARE. La protéine ATPase NSF, associée à des protéines SNAP, hydrolyse l'ATP pour dissocier ce complexe. Les SNARE peuvent alors être recyclées vers leur compartiment d'origine.
Conservation de la topologie membranaire
Le trafic vésiculaire modifie la localisation des molécules sans inverser leur orientation. Lors du bourgeonnement, la face cytosolique de la membrane donneuse reste tournée vers le cytosol. La face non cytosolique devient la face luminale de la vésicule, puis celle du compartiment cible après fusion.
Cette continuité topologique explique que la lumière du réticulum endoplasmique, celle du Golgi, celle des endosomes et le milieu extracellulaire soient équivalents du point de vue de l'orientation membranaire. Lors d'une fusion avec la membrane plasmique, un domaine auparavant luminal devient extracellulaire.
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