Lipides
Gouttelettes lipidiques (Lipid droplets ou LD)
Biogenèse : 3. expansion

Le bourgeonnement des gouttelettes lipidiques s'accompagne d'expansion par plusieurs processus, qui vont dépendre :

• la localisation de la LD,
• de son détachement ou pas.

Vue d'ensemble de l'expansion des LD

1. Les gouttelettes lipides peuvent suivre plusieurs voies.

a. Elles restent attachées au réticulum endoplasmique (RE) dans la majorité des cas chez les mammifères (85% des cas), ou même s'y réattacher par des ponts membranaires après détachement et émission de nano-LD par Arf1/COPI ( ponts membranaires).

b. Elles peuvent se détacher de la membrane du RE pour former :

• des gouttelettes lipidiques cytoplasmiques (cLD) dans la plupart des cas,
• des gouttelettes lipidiques luminales (iLD) plus rarement,
• des gouttelettes nucléaires (nLD).

2. Pendant ces processus elles peuvent accroître leur volume, mais la taille des LD n’est pas uniquement fonction de la charge cellulaire en lipides neutres, i.e. triglycérides (TG) et esters de cholestérol (CE). Elle peut être régulée par :

• des facteurs physiques,
• l’interaction complexe de facteurs spécifiques aux cellules, comme les protéines ERNOLD et CYTOLD( protéines intervenant dans l'expansion),
• l'accessibilité différentielle des surfaces des LD aux facteurs régulateurs qui dirigent spécifiquement la fusion des LD comme les protéines CIDE.

Processus physiques d'expansion lors de la formation de la LD

L'expansion, par exemple de la lentille lipidique, pourrait faire appel à deux processus (The Physics of Lipid Droplet Nucleation, Growth and Budding 2016).

1. La coalescence est un phénomène physique rapide par lequel les sites de synthèse des lipides neutres peuvent fusionner.

a. Ce phénomène intervient en présence :

• de niveaux insuffisants de phosphatidylcholine (Phosphatidylcholine Synthesis for Lipid Droplet Expansion Is Mediated by Localized Activation of CTP:Phosphocholine Cytidylyltransferase 2011),
• d'une accumulation d'acide phosphatidique (A Role for Phosphatidic Acid in the Formation of “Supersized” Lipid Droplets 2011).

b. Cette coalescence pourrait déjà intervenir dans la formation des lentilles lipidiques.

2. Le mûrissement (ripening) d'Ostwald favorise le transfert de lipides neutres depuis des gouttelettes lipidiques plus petites vers des gouttelettes lipidiques plus grosses et plus stables.

En effet, si de nombreuses LD sont nucléées parallèlement, il serait défavorable à toutes de croître (Lipid Droplet Nucleation 2023).

• 

  Les triglycérides (TG) diffusent dans les tubules à peu près au même rythme que les phospholipides (PL), ~4 µm²/sec, qui implique qu'une molécule de TG peut aller d'une LD à l'autre, distantes de 2 µm en une seconde (Membrane Curvature Catalyzes Lipid Droplet Assembly 2020).
• Si les LD ne sont pas stabilisés contre la maturation, l’état d’équilibre exige qu’une seule LD, la plus grande, croisse aux dépens des autres qui se résorbent.

3. Toutefois, la seipine pourrait contrecarrer, en partie, ce phénomène et permettre une croissance contrôlée des LD en facilitant localement la séparation des triglycérides du RE vers les LD et empêchant leur rétrécissement (Seipin Facilitates Triglyceride Flow to Lipid Droplet and Counteracts Droplet Ripening via Endoplasmic Reticulum Contact 2019).

a. La localisation de la seipine au contact du LD est essentielle à cette croissance, sur la base des observations suivantes (Seipin-Mediated Contacts as Gatekeepers of Lipid Flux at the Endoplasmic Reticulum–Lipid Droplet Nexus 2020).

• 

  Les LD ne se développent pas normalement en l'absence de seipine.
• Si la seipine est relocalisée dans le RE, la croissance de la LD a lieu sur ce site.
• Si la nombre de seipines est réduit, la croissance des LD est préférentiellement ciblée sur ces sites.
• Dans un réseau RE continu, les LD dépourvues de seipine rétrécissent, tandis que celles contenant de la seipine se développent.

b. Le processus ee mûrissement (ripening) est bien documenté dans le cytosol par l'intermédiaire des protéines CIDE ( expansion et fusion des LD).

Remarque : les phospholipides (PL) peuvent aussi diffuser du RE vers la surface des LD lorsqu'elles restent attachés au RE.

Protéines intervenant dans l'expansion

De nombreuses autres protéines peuvent atteindre et s'associer aux gouttelettes lipidiques pour contribuer à leur croissance des gouttelettes lipidiques par les voies (The CYTOLD and ERTOLD pathways for lipid droplet–protein targeting 2022) :

• du RE aux gouttelettes lipidiques (ERTOLD),
• du cytosol aux gouttelettes lipidiques (CYTOLD).

ERTOLD

Les ERTOLD (Er to LD) ou protéines de classe I, qui entrent dans l'expansion des gouttelettes lipidiques, se déplacent du RE vers les LD ( tableau).

Ce sont surtout, dans ce chapitre, des enzymes de la synthèse lipidique pour le stockage ou le remodelage lipidique de la membrane (The biogenesis of lipid droplets: Lipids take center stage 2019).

1. Pendant la formation des LD, on peut citer :

• ACSL (long-chain-fatty-acid-CoA ligase) qui active les chaîne d' acides gras (FA).
• LPCAT (lysophosphatidylcholine acyltransférase ),
• AGPAT3 (1-acylglycerol-3-phosphate O-acyltransferase 3).

2. Pendant l'expansion des LD (eLD) ou après la reconnexion des LD au RE par des ponts membranaires, GPAT4 (glycérol-3-phosphate O-acyltransférase 4) est la plus étudiée, 1ère étape de la synthèse des triglycérides (TG) par la voie du glycérol-3-phosphate.

CYTOLD

Les CYTOLD (Cytoplasme to LD) ou protéines de classe II, qui entrent dans l'expansion des gouttelettes lipidiques, se déplacent du cytoplasme vers les LD et sont bien moins nombreuses ( tableau).

1. Les périlipines (Plin) couvrent la surface des LD pour inhiber leur dégradation par la lipolyse.

2. Des enzymes, en particulier actifs dans la synthèse des phospholipides (PL), entrent en action pour adapter la membrane des LD à accueillir davantage de lipides neutres (The biogenesis of lipid droplets: Lipids take center stage 2019).

Par exemple, la CCT (Choline-phosphate CytidylylTransférase (CPCT ou CT), qui synthétise la CDP-choline qui avec le diglycéride (DAG), fusionne en phosphatidylcholine (Voie principale de la synthèse de PC).

Cette enzyme limitant la vitesse de synthèse des PC, est ciblée sur la surface des LD en croissance (Phosphatidylcholine Synthesis for Lipid Droplet Expansion Is Mediated by Localized Activation of CTP:Phosphocholine Cytidylyltransferase 2011).

Transfert de lipides

Outre la synthèse in situ et la diffusion, les phospholipides (PL) peuvent être délivrés directement du RE aux LD via des protéines de transfert lipidique opérant au niveau des sites de contact RE-LD ou mitochondries-LD.

1. Par exemple, VPS13A et VPS13C se sont récemment révélés être des protéines de transfert de glycérolipides à haute capacité qui se localisent dans les LD (The Vps13 Family of Lipid Transporters and Its Role at Membrane Contact Sites (2021).

2. D'autres protéines de transfert de lipides sont aussi engagés dans ce processus comme les membres de la famille ORP/Osh, i.e. Oxysterol-binding proteins(OSBP)-Related Proteins mammaliennes et OsBP-homolog de la levure.

En particulier ORP5 et ORP8 sont présents sur de nombreux sites de contact membranaires (MCS) et peuvent également délivrer des phospholipides (PL) et du cholestérol aux LD (ORP5 and ORP8 orchestrate lipid droplet biogenesis and maintenance at ER–mitochondria contact sites 2022).

Conclusion

Au cours de l'expansion des LD, la tension superficielle/linéaire de la monocouche LD doit être permissive et cette propriété est subordonnée à la composition et les défaut de compactage de lipides de la monocouche.

1. L'enrichissement en lipides formant des bicouches tels que la phosphatidylcholine (PC) à la surface des LD peut aider à stabiliser les LD en partie en minimisant les défauts de compactage.

2. De plus, les protéines avec des domaines amphipathiques α-hélicoïdaux (AH), telles que les membres de la famille des périlipines, peuvent également reconnaître des défauts de compactage lipidique à la surface des LD et stabiliser les LD (Pet10p is a yeast perilipin that stabilizes lipid droplets and promotes their assembly 2017).

Peut-être que la taille finale des LD initiaux est atteinte lorsque la tension superficielle de la LD atteint un point d'équilibre avec la tension bicouche du RE (ER Membrane Phospholipids and Surface Tension Control Cellular Lipid Droplet Formation 2017).

Ponts membranaires

Les ponts membranaires reliant les gouttelettes lipidiques cytoplasmiques au réticulum endoplasmique (RE) permettent aussi la croissance des gouttelettes lipidiques (Arf1/COPI machinery acts directly on lipid droplets and enables their connection to the ER for protein targeting 2014).

1. Les protéines Arf1/COPI se localisent sur les LD cytoplasmiques (cLL) et sont suffisantes pour faire germer des nano-LD à partir de leur surface (COPI buds 60-nm lipid droplets from reconstituted water–phospholipid–triacylglyceride interfaces, suggesting a tension clamp function 2013).

a. Par ce processus, Arf1/COPI éliminerait les phospholipides (PL) des surfaces des LD.

• Le bourgeonnement des nano-LD entraîne la réduction du tassement phospholipidique et l'augmentation de la tension superficielle de la surface de la LD qui induit des ponts membranaires entre les LD et la membrane du RE à travers lesquels les protéines de classe I (ERTOLD) comme l'ATGL peuvent diffuser latéralement vers les LD.
• Les cellules dépourvues de la fonction Arf1/COPI contiennent plus de phospholipides sur les LD, ce qui entraîne une diminution de la tension superficielle des LD et une incapacité à former des ponts vers le RE.

b. ELMOD2, une Arf-GAP non canonique joue un rôle important dans le contrôle du transport de l'ATGL vers les LD (ELMOD2 is anchored to lipid droplets by palmitoylation and regulates adipocyte triglyceride lipase recruitment 2015).

2. Ces ponts membranaires fournissent une voie pour la localisation des protéines associées à la membrane, i.e. GPAT4, AGPAT3 et DGAT2 (et aussi ATGL pour la lipolyse), et leur permettent de diffuser vers la surface du LD où elles effectuent des étapes clés du métabolisme des TG (Triacylglycerol Synthesis Enzymes Mediate Lipid Droplet Growth by Relocalizing from the ER to Lipid Droplets 2013).

Expansion et fusion des LD

CIDEC/FSP27 est enrichi au niveau des sites de contact membranaires, i.e. MCS LD-LD dans les adipocytes.

1. CIDEC/FSP27 participe à l'expansion des LD par deux mécanismes.

• Il inhibe la lipolyse par des mécanismes pas bien élucidés, i.e. les modèles ne formulent que des hypothèses ( CIDEC et inhibition de la lipolyse).
• Il joue un rôle dans la fusion et la croissance des gouttelettes lipidiques.

2. Les oligomères CIDE, en plus d'attacher deux LD, formeraient des pores ou des canaux pour le passage des triglycérides (TG) entre les LD, invariablement de la plus petite LD à la plus grosse grâce aux différences de pression interne (mûrissement (ripening) d'Ostwald), aidés en cela par PLIN1 et Rab8a.

Détachement ou pas ?