Système endo-lysosomal : lysosomes
Biogenèse (2) par reformation des lysosomes (fission)

La biogenèse des lysosomes comprend :

1. la coordination de la biosynthèse des protéines lysosomales et du trafic endosome-lysosome, qui comprend :

• a. la livraison des hydrolases lysosomales,
• b. la livraison des protéines membranaires,
• c. la fusion endosome-lysosome ;

2. la reformation des lysosomes qui nécessite une fission lysosomale,

3. la régulation transcriptionnelle des gènes lysosomaux et autophagiques pour augmenter le nombre et la taille des lysosomes.

2. Reformation des lysosomes

1. La régénération lysosomale après dégradation est un mécanisme homéostatique critique pour le maintien du pool de lysosomes.

La reformation défectueuse des lysosomes est observée dans les cellules de patients atteints de LSD (Lysosomal Storage Disease) et est impliqué dans la maladie de Parkinson (Autophagic lysosome reformation dysfunction in glucocerebrosidase deficient cells: relevance to Parkinson disease 2016).

2. La reformation des lysosomes nécessite une fission lysosomale.

2. La reformation des lysosomes se fait par trois voies différentes.

• la reformation endocytaire des lysosomes endocytaires (ELR),
• la reformation autophagique des lysosomes (ALR),
• la reformation phagocytaire des lysosomes (PLR).

Reformation endocytaire des lysosomes (ELR)

La reformation endocytaire des lysosomes nécessite plusieurs molécules.

Molécules impliquées

1. l'ATP doit soutenir un gradient de protons suffisant par le maintien de l'activation de la V-ATPase, i.e. l'inhibition de l'acidification lysosomale bloque la reformation des lysosomes (Endocytic Delivery to Lysosomes Mediated by Concurrent Fusion and Kissing Events in Living Cells 2005).

2. PIKfyve, la phosphatidylinositol phosphates kinase, génère du PI(3,5)P2 qui active le canal calcique lysosomal TRPML1, pour contrôler l'efflux (i.e. sortie) lysosomal du Ca⁺⁺, essentiel pour la reformation (PIKfyve activity regulates reformation of terminal storage lysosomes from endolysosomes 2017).

3. PIKfyve, TRPML1 et la voie mTOR régulent également le rétrécissement des phagosomes et des vacuoles entotiques, ce qui suggère que ces facteurs sont généralement nécessaires à la régénération des lysosomes (mTOR regulates phagosome and entotic vacuole fission 2013 et PIKfyve Regulates Vacuole Maturation and Nutrient Recovery following Engulfment 2016).

Remarque : L'entose est une forme de cannibalisme des cellules épithéliales répandue dans les cancers humains, i.e. la vacuole entotique est une vacuole contenant une autre cellule dite entotique (Cancer cell cannibalism: Multiple triggers emerge for entosis 2018).

Reformation autophagique
des lysosomes (ALR)

Vue d'ensemble

1. Au stade précoce de l'autophagie induite par la famine, mTOR (Target Of Rapamycin), une kinase majeure régulant la croissance cellulaire, est inhibée et tous les lysosomes sont essentiellement convertis en autolysosomes (Autophagy termination and lysosome reformation regulated by mTOR 2010).

2. Si la famine se prolonge, mTOR est réactivé par dégradation lysosomale des macromolécules, i.e. les autolysosomes génèrent des tubules lysosomaux et forment des protolysosomes dépourvus de contenu lysosomal.

Les protolysosomes mûrissent ensuite en lysosomes fonctionnels, mais les mécanismes ne sont pas connus.

3. Dans certaines LSD (Lysosomal Storage Disease), les fibroblastes sont défectueux par un défaut de réactivation de mTOR et de l'ALR.

Molécules impliquées

La reformation autophagique des lysosomes (ALR) est obtenue par les actions coordonnées plusieurs molécules.

1. Sur certains microdomaines de l'autolysosome, PI(4,5)P2 ou PIP2 est produit à partir du PI(4)P par la phosphatidylinositol phosphates kinase (PIPK) PIPKIβ ou PI4P5Kβ (PIP5K1B).

Cet enrichissement va avoir plusieurs conséquences.

a. D'une part, la clathrine est recrutée par PIP2 via le complexe AP-2 pour former un bourgeon sur la membrane lysosomale (Clathrin and phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate regulate autophagic lysosome reformation 2012).

b. D'autre part, PIP2 interagit avec la chaîne lourde de la kinésine KIF5B pour permettre la tubulation des lysosomes (Kinesin 1 Drives Autolysosome Tubulation 2016).

c. La concentration en protéines membranaires lysosomales (par exemple, LAMP1) augmentent par l'interaction avec AP-4.

2. Dans ces microdomaines, la tubulation protolysosomale s'initie ( tubulation et fission de lysosomes).

PIP2 se lie aussi à WHAMM, un membre des NPF (Nucleation Promoting Factor) de la famille WASP qui active Arp2/3 pour former un réseau d'actine ramifié sur les autolysosomes, facilitant la tubulation des protolysosomes (WHAMM initiates autolysosome tubulation by promoting actin polymerization on autolysosomes 2019).

3. Sur la pointe des tubules protolysosomaux, une autre PIPK, PIPKIα ou PI4P5Kα (PIP5K1A), génère du PI(4,5)P2 ou PIP2 pour déclencher un autre cycle de recrutement de clathrine, conduisant à la scission du protolysosomes dépendante de la dynamine (Clathrin and phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate regulate autophagic lysosome reformation 2012).

La spastizine/SPG15 et la spatacsine/SPG11 pourrait recruter en partie la dynamine-1 et favoriser la vésiculation (Inhibition of Lysosome Membrane Recycling Causes Accumulation of Gangliosides that Contribute to Neurodegeneration 2018).

La clathrine et AP-2 recrutent également OCRL1 (phosphoinositide 5-phosphatases de type II)
pour réduire spatio-temporellement l'effet de PI(4,5)P2 ou PIP2 (Autophagosome-lysosome fusion triggers a lysosomal response mediated by TLR9 and controlled by OCRL 2017).

4. L'équilibre entre PI(4)P et PI(4,5)P2 ou PIP2 sur les microdomaines auto-lysosomaux est critique pour l'ALR.

La perte de INPP5K/SKIP, une PI 5-phosphatase de type II, qui hydrolyse PIP2 en PI(4)P, supprime la reformation des lysosomes en altérant l'ALR, entraînant une dystrophie musculaire (Defective lysosome reformation during autophagy causes skeletal muscle disease 2021).

4. L'ALR implique probablement des facteurs supplémentaires, comme la spastizine/SPG15 et la spatacsine/SPG11 (fission des lysosomes par vésiculation)

Réformation phagocytaire des lysosomes (PLR)

La phagocytose des cellules apoptotiques ou vivantes conduit à la formation de phagosomes qui fusionnent finalement avec les lysosomes. Les régulateurs essentiels de la reformation des lysosomes phagocytaires (PLR) sont :

• PIKfyve, la phosphatidylinositol phosphates kinase qui génère du PI(3,5)P2,
• le canal calcique lysosomal TRPML1,
• SLC-36.1, transporteur d'acides aminés neutres (SLC - SoLute Carrier).

1. PIKfyve par la formation de PI(3,5)P2 active le canal calcique lysosomal TRPML1 pour contrôler l'efflux (i.e. sortie) lysosomal du Ca⁺⁺, essentiel pour la reformation (PIKfyve activity regulates reformation of terminal storage lysosomes from endolysosomes 2017).

Ce processus permet de réguler le rétrécissement du phagolysosomes.

• Dans les cellules de mammifères, l'inactivation de PIKfyve altère le rétrécissement des phagolysosomes et des vacuoles entotiques, mais n'affecte pas les événements en amont de la formation des phagolysosomes (PIKfyve Regulates Vacuole Maturation and Nutrient Recovery following Engulfment 2016).
• L'inhibition du canal Ca⁺⁺ lysosomal TRPML1 a un effet similaire sur le rétrécissement du phagolysosome et la surexpression de TRPML1 contourne le rétrécissement du phagolysosome défectueux induit par la perte de PIKfyve.

2. Chez C. elegans, PPK-3, l'orthologue de PIKfyve, et SLC-36.1, l'homologue des transporteurs d'acides aminés neutres de mammifères SLC36A1-4/PAT1-4 sont des régulateurs essentiels de la PLR (The amino acid transporter SLC-36.1 cooperates with PtdIns3P 5-kinase to control phagocytic lysosome reformation 2019).

• L'identification de PIKfyve, TRMPL1 et SLC-36.1/SLC30A1-4 suggère que les mécanismes de reformation des lysosomes à partir de différents types de lysosomes digestifs partagent probablement des régulateurs communs.
• Notamment, l'exportation d'acides aminés des phagolysosomes et des autolysosomes est non seulement importante pour la reformation des lysosomes, mais également essentielle pour le développement embryonnaire et la survie cellulaire.

• le transporteur d'acides aminés neutres SLC-36.1/SLC30A1-4,
• le transporteur lysine/arginine lysosomal LAAT-1/PQLC2 (LAAT-1 is the Lysosomal Lysine/Arginine Transporter that Maintains Amino Acid Homeostasis 2012),
• le transporteur de sucre lysosomal Spinster (Spinster is required for autophagic lysosome reformation and mTOR reactivation following starvation 2011)…

Il reste à déterminer si PIKfyve régule ces transporteurs lysosomaux via PI(4,5)P2 ou PIP2 et si d'autres exportateurs lysosomaux sont impliqués dans la reformation des lysosomes.

Autres régulations de la biogenèse