Système endo-lysosomal : endosomes précoces
Rab5 et régulateurs

Les endosomes précoces sont caractérisées par la présence :

1. de PI(3)P ( phosphoinositides et endosomes),

2. de la petite GTPase Rab5, ses régulateurs, i.e. GEF, GAP et GDI et ses effecteurs :

• l'APPL1/2,
• l'EEA1 et la rabaptine-5,
• la rabénosyne-5,
• le ZFYVE21
• la rabankyrine-5,
• le complexe PI3KCIII-C2.

3. de protéines d'arrimage comme le complexe CORVET,

Remarque : APPL1/2, et EEA1 peuvent aussi être qualifiés de complexes d'arrimage.

4. de complexes qui permettent le tri ou le recyclage des cargos dont les principaux sont :

• le rétromère,
• le complexe retriever et le complexe CCC,
• les complexes CHEVI et FERARI,
• le complexe WASH qui active le complexe Arp2/3 pour induire la polymérisation de l'actine sur les endosomes, en liaison avec les complexes précédents.

Remarque : les endosomes de signalisation SARA, i.e. sous-population d'endosomes précoces Rab5-positifs, sont caractérisés par la présence de la protéine endocytaire Sara (Smad anchor for receptor activation), qui intervient dans de nombeuses voies de signalisation ( internalisation des récepteurs TGF-β).

• Sara se lie directement au PI(3)P et les deux molécules se trouvent à la surface de ces endosomes (Smad anchor for receptor activation).
• Sara joue un rôle dans la division asymétrique (Polarized endosome dynamics by spindle asymmetry during asymmetric cell division 2015).

Rab5

1. Les endosomes précoces sont formés par la fusion continue des vésicules de transport de la membrane plasmique et du réseau trans-Golgi (TGN).

Les vésicules d’endocytose recrute rapidement la petite GTPase Rab5 (Vps21 de la levure), régulateur principal de la dynamique des endosomes précoces, via des protéines d'arrimage (Rab Proteins and the Compartmentalization of the Endosomal System 2014).

2. Rab5 est l'un des membres les plus importants de la famille des petites GTPases Rab (Ras analog in brain).

Rab5, comme les autres Rab sont des protéines dynamiques qui font la navette entre un état cytosolique inactif et un état actif lié à la membrane :

• la forme inactivée, Rab5 liée au GDP (Rab5-GDP), liées avec leur régulateurs GEF, GAP et GDI,
• la forme activée, Rab5 liée au GTP (Rab5-GTP).

Rab5 contient deux résidus cystéine à l'extrémité C-terminale (-CCxx), souvent modifiée par prénylation, contribuant à la localisation de Rab5 dans les membranes endosomales.

Au moment de la génération ou lors du recyclage, les Rab-GDP sont donc inactifs. Un inhibiteur de la dissociation du GDP (GDI) se lie à la fois au domaine GTPase lié au GDP et à l'ancre prényl pour maintenir le Rab soluble (Mechanisms of action of Rab proteins, key regulators of intracellular vesicular transport 2016).

• Au niveau des membranes des organites, un facteur d'échange de nucléotides guanine (GEF) spécifique interagit avec le Rab lié au GDP, déstabilise la poche de liaison aux nucléotides et favorise ainsi l'échange du GDP libéré contre le GTP plus abondant.
• Dans le même temps, le GDI est déplacé, conduisant à l'insertion membranaire du Rab.
• Pour favoriser une hydrolyse efficace du GTP et l'inactivation de Rab, Rab dépend d'une interaction avec une protéine spécifique activant la GTPase (GAP). Les Rab liés au GDP qui en résultent sont alors un substrat pour le GDI et peuvent ainsi être recyclés.

Remarque : dans la forme liée au GTP, les régions dites de commutation de la Rab GTPase sont stabilisées par le γ-phosphate du GTP et fournissent ainsi un site de liaison stable pour les protéines effectrices. Le Rab-GTP activé peut se lier à un certain nombre d'effecteurs, notamment des protéines du cytosquelette, des enzymes ou des kinases lipidiques.

3. Rab5 recrute les protéines effectrices via switch I et switch II dépendant du GTP dans des compartiments subcellulaires distincts pour réguler les événements de trafic membranaire ( effecteurs membranaires de Rab5).

Rab5 interagit avec le domaine WD40 de Vps15/p150 du complexe PI3KCIII-C2.

• PI3KCIII-C2 produit et maintient le PI(3)P à partir du phosphatidylinositol (PtdIns) sur les membranes des endosomes précoces.
• PI(3)P est indispensable au recrutement des sous-unités du complexe ESCRT.

Remarque : Chez la levure, un article récent montrerait que l'endocytose peut être superflue et que le transport des vésicules post-Golgi à partir du trans-golgi (TGN) est crucial pour la formation des endosomes et le trafic endolysosomal ultérieur régulé par Rab5/Vps21p (Rab5-mediated endosome formation is regulated at the trans-Golgi network 2019).

Régulateurs de Rab5

GEF

Les GEF (Guanine nucleotide exchange factor) sont des protéines ou des domaines protéiques qui activent les GTPases en stimulant la libération de guanosine diphosphate (GDP) pour permettre la liaison de la guanosine triphosphate (GTP), i.e. stimulent leurs actions.

Rabex-5

Rabex-5, une GEF, recrute et maintient Rab5 sur la membrane des endosomes précoces grâce à la rabaptine-5.

Rabex se lie avec les cargos ubiquitinés au niveau de la surface membranaire (Regulation of large and small G proteins by ubiquitination 2019).

1. Dans la forme libre de Rabex-5, le domaine CC (Rabex-5CC) se lie faiblement via la surface non polaire au site de liaison au substrat du domaine GEF, conduisant à l'occlusion du site de liaison au substrat et donc à une faible auto-inhibition de l'activité GEF. La forme libre de Rabex-5 peut cibler directement les endosomes précoces pour activer Rab5 au niveau basal.

2. Dans les cellules, la plupart des Rabex-5 forment des complexes binaires avec la Rabaptine-5, protéine recrutée dans les endosomes précoces via la liaison de sa région C-terminale avec Rab5-GTP (Molecular mechanism for Rabex-5 GEF activation by Rabaptin-5 2014 et The pleckstrin homology domain of phospholipase D1 accelerates EGFR endocytosis by increasing the expression of the Rab5 effector, rabaptin-5 2015).

La liaison du domaine C2-1 de la Rabaptine-5 (Rabaptine-5C21) avec Rabex-5 éloigne Rabex-5CC du domaine GEF en formant un complexe binaire en forme de V avec un site de liaison au substrat largement exposé, diminuant l'auto-inhibition, i.e. favorisant l'activation de Rab5.

3. La liaison de Rab5 induit d'autres changements de conformation du complexe Rabex-5-Rabaptine-5 : le dimère Rabaptine-5C21 passe de la forme en V à la conformation linéaire et le site de liaison au substrat du domaine GEF est complètement exposé au solvant pour lier et activer Rab5.

Autres GEF

1. RME (Receptor Mediated Endocytosis) régule le déshabillage des vésicules de clathrine et délivre les cargos aux endosomes précoces (Role of the Rab5 Guanine Nucleotide Exchange Factor, Rme-6, in the Regulation of Clathrin-Coated Vesicle Uncoating 2015).

2. RIN1 (Ras And Rab Interactor 1) est impliqué dans l'internalisation, le trafic et la dégradation des récepteurs activés, ainsi que dans le remodelage du cytosquelette (Ras and Rab interactor 1 controls neuronal plasticity by coordinating dendritic filopodial motility and AMPA receptor turnover 2016).

3. p85, la sous-unité régulatrice des PI3KC, par son domaine BH, est impliqué dans l'activation de Rab5 dans l'endocytose et la migration des cellules cancéreuses (Impact of p85α Alterations in Cancer 2019)..

GAP

Les GAP (GTPase-Activating Protein ou GTPase-Accelerating Protein) accélèrent l'hydrolyse du GTP en GDP, i.e. mettent fin à leur action.

1. Rab-GAP5 et la tubérine sont impliqués dans l'inactivation de Rab5 dans l'endocytose et le trafic (Filling the Rab GAP 2005).

2. ARMUS/TBC-2 est impliqué dans l'inactivation de Rab7 pour promouvoir la production de PI(3)P pendant la maturation des endosomes ( passage de Rab5 à Rab7).

Effecteurs de Rab5 : APPL1/2, EEA1 et Rabénosyne-5