Membranes
Courbure membranaire
Insertion d'une hélice amphipathique (AH)

Les hélices amphipathiques (AH), caractérisées par la présence de résidus basiques à l'interface polaire-non polaire de leurs deux faces, sont bien adaptées à l'interaction avec les membranes.

Les AH enfoncent un " coin " dans la membrane (wedging mechanism).

Remarque : les hélices hydrophobes diffèrent des AH car tous leurs résidus sont hydrophobes.

Insertion de l'hélice

Vue d'ensemble

1. Les hélices amphipathiques (AH), hélices α non structurées jusqu'à leur insertion dans les membranes, ont, le long de l'axe central (The Many Faces of Amphipathic Helices 2018) :

• 

  un côté est polaire (chargé),
• l'autre hydrophobe.

2. Lors de l'insertion membranaire, la face hydrophobe de l'AH est enterré à l'intérieur de la membrane hydrophobe et la face polaire est exposée aux groupes de tête lipidiques hydrophiles et à la phase aqueuse.

• Ce phénomène provoque le déplacement des groupes de tête lipidiques et une réorientation des chaînes acyles, donnant une orientation plus favorable à une courbure plus élevée.
• L'AH insérée dans la membrane peut faciliter la génération de structures membranaires courbes, y compris des vésicules, des tubules et même des membranes en forme de selle.

Les résidus chargés sur la face polaire complique les interactions AH-membrane et contribue en outre à la diversité des phénomènes de remodelage membranaire induits par les AH.

3. En outre, les AH de nombreuses protéines induisant la fission contiennent :

• au moins deux résidus basiques, i.e. arginine (R) et/ou lysine (K) chacun, à l'interface polaire-non polaire, i.e. Lys7 et Lys16 pour l'endophiline…
• au moins trois résidus chargés positivement.

Les AH des protéines qui détectent, mais ne génèrent pas de courbure membranaire, comme ArfGAP1… ne contiennent souvent pas plus d'un résidu basique.

Profondeur
d'insertion
et fission

1. L'insertion peu profonde de l'AH, i.e. environ 40% de l'épaisseur de la monocouche, est particulièrement efficace dans la génération de la courbure de la membrane et semble-t-il suffisante pour provoquer la fission (Membrane Fission Is Promoted by Insertion of Amphipathic Helices and Is Restricted by Crescent BAR Domains 2012).

Par exemple :

• l'hélice de Sar1p s'insère juste en dessous des groupes de tête hydrophiles,
• celles de l'endophiline A1, de l'epsine et de l'α-synucléine s'intègrent au niveau du phosphate lipidique ou juste en dessous de ce niveau.

La profondeur d'insertion des AH de l'epsine et de Sar1p est inférieure à celle d'Arf1et génèrent une courbure membranaire plus élevée (Molecular dynamics simulations of membrane deformation induced by amphiphilic helices of Epsin, Sar1p, and Arf1 2018).

2. Un mécanisme supplémentaire prévoit une coopérativité entre les protéines où la première insertion d'un AH à partir d'une protéine donnée capable de détecter la courbure de la membrane, i.e. de se lier sélectivement aux membranes courbes, favorise l'insertion d'AH supplémentaires (Sar1 GTPase Activity Is Regulated by Membrane Curvature 2016).

À leur tour, ces AH induisent plus de courbure membranaire facilitant l'insertion d'AH supplémentaires.

Remarque : les mécanismes de formation des vésicules ou tubules des protéines BAR sont étudiés avec les fonctions des domaines BAR.

Cofacteurs lipidiques d'insertion

1. De nombreuses protéines à AH induisant la fission nécessitent un ou deux lipides spécifiques pour générer une courbure membranaire et terminer le processus de fission.

• La plupart de ces lipides sont anioniques.
• Ces lipides pourraient être nommés cofacteurs lipidiques, facteurs lipidiques ou ligands lipidiques.

2. On peut donner des exemples ( cf. tableau) :

• PI(4,5)P2 ou PIP2 pour l'epsine, l'amphiphysine ou l'endophiline,
• PI(3)P et Pi(3,5)P2 pour Atg18…

Protéines à AH provoquant la fission

Petites GTPases

Certaines petites GTPases possèdent un hélice amphipathique (AH) N-terminale, qui lors de l'échange GDP/GTP, subissent un changement conformationnel qui expose l'AH pour son insertion membranaire.

a. Arf1 est impliquée dans le trafic de l'appareil de Golgi en recrutant le complexe de coatomères à la membrane, déclenchant la polymérisation et le bourgeonnement (9Å structure of the COPI coat reveals that the Arf1 GTPase occupies two contrasting molecular environments 2016) :

• le bourgeonnement des vésicules COPI,
• le recrutement des complexes GGA et AP-1 aux membranes.

b. Sar1, une petite GTPAse Ras, fonctionne de manière similaire pour les vésicules COPII du réticulum endoplasmique (COPII-mediated trafficking at the ER/ERGIC interface 2019).

• Sar1-GTP activé par Sec12 s'insère dans la membrane du RE, se liant préférentiellement aux zones de courbure de la membrane.
• Lorsque Sar1-GTP s'insère dans la membrane, il recrute Sec23 et Sec24 pour constituer la cage interne de COPII.

Protéines à domaine ENTH/ANTH

1. L'epsine se lie par son domaine ENTH au PI(4,5)P2 ou PIP2 membranaire, ce qui provoque un changement de conformation qui ajoute une hélice α0 ou H0 à la fin du domaine.

C'est cette hélice (α0 ou H0) qui s'insère dans la couche cytoplasmique et constitue la première phase de la courbure de la membrane dans l'endocytose clathrine-dépendante (Curvature of clathrin-coated pits driven by epsin 2002).

• L'epsine se lie à la clathrine par ses deux boîtes à clathrine (CBM) pour former une cage qui stabilise le changement de courbure locale.
• Elle se lie également à AP-2.

Remarque : l'epsine est capable de médier la fission vésiculaire dans les cellules appauvries en dynamine (Membrane Fission Is Promoted by Insertion of Amphipathic Helices and Is Restricted by Crescent BAR Domains 2012).

2. PICALM, impliqué dans la fission des vésicules de l'endocytose clathrine-dépendante, CALM contient un domaine ANTH N-terminal (CALM Regulates Clathrin-Coated Vesicle Size and Maturation by Directly Sensing and Driving Membrane Curvature 2015).

Les mécanismes d'interaction des domaines ENTH et ANTH avec PI(4,5)P2 serait assez différents (voir références dans Plant AP180 N-Terminal Homolog Proteins Are Involved in Clathrin-Dependent Endocytosis during Pollen Tube Growth in Arabidopsis thaliana 2019).

Protéines à domaine BAR

Les protéines à domaine BAR, comme les N-BAR, i.e amphiphysine, endophiline… possèdent une hélice amphipathique N-terminale qui précède le domaine BAR.

Protéines Atg

Dans l'autophagie, les protéines Atg2 et Atg18 (Autophagy related gene), contiennent des AH et interviennent dans la fission membranaire (The Atg2-Atg18 complex tethers pre-autophagosomal membranes to the endoplasmic reticulum for autophagosome formation 2018).

Ces protéines appartiennent à la famille PROPPINS (β-PROPellers that bind PIs).

1. La fermeture du phagophore, qui dépend de Atg2 et conduisant à la formation d'autophagosomes, est un événement de fission membranaire à topologie inverse.

2. Atg18 forme un complexe avec Atg2 et joue également un rôle dans la formation des autophagosomes et intervient également dans la fission des vacuoles ).

Remarque : contrairement aux petites GTPases Arf1 et Sar1, aux protéines à domaine ENTH/ANTH, aux protéines N-BAR contenant toutes des AH N-terminaux, les AH des des protéines Atg2 et Atg18, similaires à l'AH de PICK1, sont internes et loin de l'extrémité N-terminale.

Synucléines

Les protéines appartenant à la famille des synucléines sont impliquées dans la fragmentation mitochondriale qui serait, selon certains auteurs, indépendante de la fission par Drp1 (réponse dite UPR (mitochondria-specific Unfolded Protein Response) du contrôle de la qualité des mitochondries).

1. L'α-synucléine contient une hélice AH particulièrement longue (α-11/3) AH qui se forme lors de la liaison à une bicouche lipidique (α-Synuclein’s uniquely long amphipathic helix enhances its membrane binding and remodeling capacity 2017).

L'α-synucléine est associée au développement de la maladie de Parkinson (Maladie de Parkinson : le rôle de la synucléine 2022).

2. La β-synucléine, à AH similaire, induit moins de fragmentation que l'α-synucléine (Axon degeneration and PGC-1α-mediated protection in a zebrafish model of α-synuclein toxicity 2012).

3. La γ-synucléine, aussi à AH similaire, provoque très peu ou pas de fragmentation (Nakamura et al., 2011).