Système endo-lysosomal
Complexe ESCRT : assemblage et polymérisation de ESCRT-III

Le complexe ESCRT (Endosomal Sorting Complex Required for Transport ou complexe de tri endosomal requis pour le transport) est composé de 5 complexes :

• ESCRT-0,
• ESCRT-I,
• ESCRT-II,
• ESCRT-III,
• Vps4 (Vacuolar Protein Sorting 4) qui contient un domaine catalytique AAA+ ATPase.

En général, le complexe ESCRT-III est composé de quatre protéines CHMP différentes :

• CHMP2A/B, Vps2,
• CHMP3, Vps24,
• CHMP4A/B/C, Snf7
• CHMP6, Vps20.

Assemblage des ESCRT-III

Le remodelage membranaire est sous-tendu par la coopération de ESCRT-III et Vps24 (Recruitment dynamics of ESCRT-III and Vps4 to endosomes and implications for reverse membrane budding 2017 et Dynamic subunit turnover in ESCRT-III assemblies is regulated by Vps4 to mediate membrane remodelling during cytokinesis 2017).

1. Le recrutement canonique commence par celui de CHMP6/Vps20 par EAP20/VPS25 de ESCRT-II qui induit une polymérisation en spirale des différentes protéines d’ESCRT-III dont le principal constituant est CHMP4 (Ordered Assembly of the ESCRT-III Complex on Endosomes Is Required to Sequester Cargo during MVB Formation 2008 et Structural basis for activation, assembly and membrane binding of ESCRT-III Snf7 filaments 2015).

Une fois initiée, cette polymérisation de CHMP4 est favorisée par sa modification conformationnelle qui permet de recruter une succession de CHMP4 ( polymérisation des filaments)

2. CHMP2/Vps2 et CHMP3/Vps24, CHMP inhibitrices, se lient et coiffent CHMP4/Snf7 en tandem vers l'extérieur (Helical Structures of ESCRT-III are Disassembled by VPS4 2009) :

• pour soutenir l'extension des filaments incurvés vers l'intérieur (1 sur la figure),
• pour recruter Vps4 (AAA ATPase vacuolaire de tri) qui facilite le glissement des spires hélicoïdales voisines pour favoriser la constriction (2 sur la figure).

3. Vps4 induit le renouvellement des sous-unités au sein de l'ESCRT-III.

Soit Vps4 désassemble le polymère (Vps4 disassembles an ESCRT-III filament by global unfolding and processive translocation 2015).

Ce désassemblage contrôle activement la constriction du cou et la scission de la vésicule (The ESCRT machinery: From the plasma membrane to endosomes and back again 2015).

Soit Vps4 induit la croissance des filaments (Dynamic subunit turnover in ESCRT-III assemblies is regulated by Vps4 to mediate membrane remodelling during cytokinesis 2017).

4. L'extrémité C-terminale de ESCRT-III peut (et doit ?) recruter d'autres molécules effectrices que Vps4 pour la fission (An ESCRT-III Polymerization Sequence Drives Membrane Deformation and Fission 2020).

• En effet, les polymères observés avec ces sous-unités (CHMP4/Snf7, ainsi que CHMP2/Vps2 et CHMP3/Vps4) ont un rayon supérieur à 15 nm, un peu plus petit avec Vps4, mais loin de la limite théorique de 3 nm requise pour la fission spontanée.
• Cela suggère que des facteurs ou des mécanismes supplémentaires entrent en jeu dans la fission membranaire dépendante de l'ESCRT-III.

CHMP1B/Did2 et IST1 (Increased Sodium Tolerance 1), contribuent à de nombreux processus dépendants du complexe ESCRT (Structural Basis of Ist1 Function and Ist1–Did2 Interaction in the Multivesicular Body Pathway and Cytokinesis 2009).

Le knock-out de Did2 entraîne des défauts de tri de la cargaison similaires à ceux observés lors de l'épuisement des sous-unités centrales ESCRT-III (The ESCRT-III proteins IST1 and CHMP1B assemble around nucleic acids 2018) .

Polymérisation des filaments

Vue d'ensemble

Toutes les structures ESCRT-III sont basées sur des filaments à simple brin qui peuvent éventuellement avoir des interactions latérales (Structural analysis and modeling reveals
new mechanisms governing ESCRT-III spiral filament assembly 2014).

1. Dans la polymérisation des CHMP, le protomère (i), en conformation ouverte, interagit avec le protomère (i+1) à travers deux interfaces.

• L'hélice étendue α2-α3 de (i) expose une surface hydrophobe sur α3 qui interagit avec α2-α3 de (i+1).
• L'hélice α1 de (i) interagit électrostatiquement sur α3 qui interagit avec α2-α3 de (i+1).

Toutefois, dans le cas des sous-unités ESCRT-III :

• l'assemblage implique des interactions qui pourraient réduire considérablement le désassemblage spontané,
• le processus d'activation nécessite une liaison membranaire, ce qui pourrait également réduire le désassemblage spontané.

2. L'hélice α4 sert de liaison entre deux protofilaments différents (i et J), i.e. entre α4ⁱ et α1/2^j.

3. La polymérisation des ESCRT-III en monofilaments à simple brin est essentielle car elle implique :

• leur forme
• leur courbure intrinsèque qui peut être variable,
• leur flexibilité.

Forme des filaments

La polymérisation des ESCRT-III peut engendrer une grande variété de formes avec un pore central.

1. Des spirales, sont formées par CHMP4/Snf7 qui agissant comme des ressorts mécaniques.

2. Des tubes, comme CHMP2A-CHMP3, qui possèdent :

• une surface extérieure qui se lie aux membranes,
• une surface intérieure donne accès à Vps4, i.e. la topologie correspondant à la fonction des ESCRT dans la scission de topologie inverse (ESCRT-III CHMP2A and CHMP3 form variable helical polymers in vitro and act synergistically during HIV-1 budding 2013),

3. Des bobines et des cônes sont formés car les assemblages ESCRT tubulaires ne peuvent pas s'étendre indéfiniment lorsqu'ils sont entourés de lipides et doivent se fermer à une extrémité, comme c'est le cas du co-assemblage in vitro de CHMP2A et CHMP3 (Helical Structures of ESCRT-III are Disassembled by VPS4 2008), et bien d'autres…

4. Enfin, on trouve un mélange de toutes ses formes : spirales à tubes, cônes à tubes… ( cf. tableau).

Courbure des filaments

Dans la structure polymérique du CHMP1B, l'interaction entre les monomères crée un angle entre chaque monomère, à la base de leur courbure intrinsèque (Structure and membrane remodeling activity of ESCRT-III helical polymers 2015).

1. Chaque molécule de CHMP1B semble interagir avec quatre autres sous-unités CHMP1B qui se regroupent et traversent l'avant-bras de la sous-unité d'origine, permettant de grands changements de l'angle entre les monomères, et donc de courbure.

Dans les polymères plus rigides, comme les microtubules et l'actine, les interactions ne se trouvent qu'entre monomères voisins.

2. De plus, la main de l'hélice 5 saisit l'épaule de l'épingle à cheveux des quatre sous-unités, créant un contact analogue à l'interaction entre l'épingle à cheveux et l'hélice 5 dans les conformations ESCRT-III fermées.

Flexibilité des filaments

1. Normalement, les changements de courbure rompent facilement les interactions à courte distance, alors que dans le polymère CHMP1B, les interactions à longue distance médiées par une seule hélice α flexible, ne devraient pas être facilement rompues (Dynamic and elastic shape transitions in curved ESCRT-III filaments 2017).

• Cela pourrait être à la base de la flexibilité inhabituellement grande des filaments CHMP4/Snf7 dont la longueur de rupture a été estimée entre 300 et 800 nm.

Celle de l'actine est de 16-17 µm et celle des microtubules, au-dessus d'un millimètre (Structural analysis and modeling reveals new mechanisms governing ESCRT-III spiral filament assembly 2014).

• Cela pourrait également expliquer comment les structures ESCRT-III peuvent s'adapter à des courbures membranaires allant du micron à des dizaines de nanomètres de rayon, sans se casser.

2. En effet, CHMP4/Snf7 forme des filaments très flexibles qui s'enroulent spontanément à la surface des membranes lipidiques.

• Cet ensemble hélicoïdal en 3D aligne les surfaces de liaison à la membrane à l'extérieur de la superhélice, idéalement pour stabiliser une membrane courbée négativement, i.e. concave (Relaxation of Loaded ESCRT-III Spiral Springs Drives Membrane Deformation 2015).
  
• La croissance d'un filament extensible en une spirale accumule une contrainte élastique, formant un cône terminé par une structure tubulaire.

Cette force, comme celle d'un ressort, déforme la membrane par compression latérale et est libérée par flambage ou flamblement, i.e. terme d'ingénierie des structures, buckling en anglais (Membrane buckling induced by curved filaments 2009).

Le flambage ou flambement est un phénomène d'instabilité d'une structure. Si cette structure est soumise à une charge progressivement croissante, lorsque la charge atteint un niveau critique, un élément peut soudainement changer de forme et on dit que la structure et le composant se sont déformés.

3. En outre, in vitro, la nucléation est plus facile en présence (Negative membrane curvature catalyzes nucleation of endosomal sorting complex required for transport (ESCRT)-III assembly 2015) :

• de surfaces concaves,
• de CHMP6/Vps20 (Functional Reconstitution of ESCRT-III Assembly and Disassembly 2009).

Comprendre les structures ESCRT-III

VPS4