Système endo-lysosomal
Réticulum endoplasmique
Sites de contact membranaire (MCS) du RE
MCS RE/membrane plasmique (MP)

Les progrès récents de la biologie des MCS ont révélé leurs rôles clés dans les échanges inter-organites.

Les sites de contact membranaire (MCS) du réticulum endoplasmique (RE) avec les différents organites seront traités dans des chapitres spéciaux :

• MCS avec les endosomes ou corps multivésiculaires (MVE/MVB) et des lysosomes,
• MCS RE/Golgi,
• MCS RE/membrane plasmique,
• MCS RE/mitochondries,
• MCS RE/peroxysomes,
• MCS RE/gouttelettes lipidiques.

MCS RE/MP

Chez les eucaryotes, le réticulum endoplasmique (RE) noue des contacts avec la membrane plasmique (MP), 2 à 5% de la surface cytoplasmique, et partagent :

• certaines fonctions, i.e. trafic des lipides et du Ca⁺⁺, l'homéostasie…
• certains facteurs, i.e. les protéines VAP (VAMP-Associated Protein) et OSBP ((Oxysterol-binding protein).

Trafic des lipides

Les phospholipides synthétisés par le RE, tels que le phosphatidylinositol (PtdIns ou PI), la phosphatidylsérine (PS) et les stérols, sont transférés à la membrane plasmique (MP) au niveau des MCS RE/MP.

Famille ORP/Osh

Les membres de la famille ORP/Osh (Oxysterol-binding proteins/OSBP-Related Proteins mammaliennes et OSBP-homolog de la levure) régulent l'homéostasie des phospholipides au niveau de ces MCS (ORP/Osh mediate cross-talk between ER-plasma membrane contact site components and plasma membrane SNAREs 2020 et Mécanismes du transport lipidique par les protéines ORP/Osh 2014).

1. ORP5 et ORP8 mammaliens, comme d'autres membres de la famille, contiennent à la fois un domaine ORD et un domaine PH ( structure de OSBP).

• ORP5 et ORP8 sont des capteurs lipidiques localisés dans le RE qui se concentrent sur les MCS lorsque les niveaux de PI(4)P de la MP sont élevés (PI4P/phosphatidylserine countertransport at ORP5- and ORP8-mediated ER–plasma membrane contacts 2015).

• 

  Comme ces ORP sont ancrés dans le RE, ils n'ont pas besoin de se lier au VAP pour réguler le trafic des lipides.

Remarque : ORP5 et ORP8 sont impliqués dans d'autres MCS ( transport de la phosphatidylsérine).

2. Osh3 de la levure régule le métabolisme de PI(4)P au niveau des MCS RE/PM, mais a besoin d'un domaine FFAT pour se lier aux orthologues de VAP, Scs2/Scs22 pour l'amener au RE.

• Le pont entre PI(4)P dans la MP, Osh3 et Scs2/22 facilite le recrutement de i.e. Sac1, la phosphatase du RE convertissant PI(4)P en phosphatidylinositol (PtdIns ou PI).
• L'échange du cholestérol se fait dans l'autre sens, comme dans les MCS RE/Golgi régulé par OSBP (Osh Proteins Regulate Phosphoinositide Metabolism at ER-Plasma Membrane Contact Sites 2011 et Structural Basis for Phosphoinositide Substrate Recognition, Catalysis, and Membrane Interactions in Human Inositol Polyphosphate 5-Phosphatases 2014).

E-Syt/Tcb

E-Syt1-3, protéines de type synaptotagmine ou extended synaptotagmines, régulent aussi la formation des MCS du RE/MP et le transfert des lipides (The Extended-Synaptotagmins 2017 et Control of plasma membrane lipid homeostasis by the extended synaptotagmins 2016).

Les orthologues de la levure sont les tricalbines, i.e. Tcb1-3 (Calcium-dependent and -independent lipid transfer mediated by tricalbins in yeast 2021).

Structure des E-Syt

Leur structure comprend plusieurs domaines (Three-dimensional architecture of extended synaptotagmin-mediated endoplasmic reticulum–plasma membrane contact sites 2015).

1. Le domaine transmembranaire (TM) en épingle à cheveux (hairpin) N-terminal de type réticulon s'ancre sur la membrane du RE.

2. Le domaine SMP (Synaptotagmin-like Mitochondrial lipid-binding Protein) est impliqué dans le transfert lipidique ( TULIP).

Ce domaine se dimérise tête-tête pour former une longue cavité en tonneau bêta hydrophobe, à travers laquelle les phospholipides peuvent se déplacer entre les membranes (Conserved SMP domains of the ERMES complex bind phospholipids and mediate tether assembly 2015 et Structure of a lipid-bound Extended-Synaptotagmin indicates a role in lipid transfer 2014).

Remarque : les domaines SMP sont aussi trouvés dans :

• le complexe ERMES de la levure,
• PDZD8 (PDZ domain-containing protein 8),
• TMEM24.

3. Plusieurs (3 à 5) domaines C2 C-terminaux s'attachent sur les membranes différemment selon les auteurs (E-Syts, a family of membranous Ca2+-sensor proteins with multiple C2 domains 2007).

• Certains suggèrent que les domaines C2 s'attachent tous sur la membrane plasmique.
• D'autres que les premiers domaines sont liés à la membrane du réticulum endoplasmique.

Transfert de lipides et modèles

1. Les domaines SMP dimérisés transportent les glycérophospholipides entre le RE et la MP, selon leurs gradients de concentration, en utilisant un modèle d'extraction-glissement-diffusion-libération.

• Les longueurs des liens et les dimensions des protéines fournissent la liberté conformationnelle nécessaire.
• Le transfert par pontage direct des deux organites par le dimère des domaines tubulaires SMP est totalement exclu.

2. Les domaines C2 sont capables de se lier aux lipides et de détecter le taux de Ca⁺⁺ (PI(4,5)P2-Dependent and Ca2+-Regulated ER-PM Interactions Mediated by the Extended Synaptotagmins 2013).

a. E-Syt1 contient cinq domaines C2 dont deux (C2A et C2C) peuvent se lier à Ca⁺⁺, i.e. l'augmentation du Ca⁺⁺ cytosolique et l'appauvrissement en PI(4,5)P2 conduisent à son accumulation au niveau des MCS RE/MP (Triggered Ca2+ influx is required for extended synaptotagmin 1-induced ER-plasma membrane tethering 2015 et Ca2+ releases E-Syt1 autoinhibition to couple ER-plasma membrane tethering with lipid transport 2018).

• Le domaine C2A interagirait avec le domaine SMP pour inhiber le transport des lipides.
• Ca⁺⁺ libèrerait l'interaction de domaine C2A-SMP.
• La liaison de Ca⁺⁺ au domaine C2C permettrait une liaison efficace à la membrane plasmique riche en PI(4,5)P2 via le domaine C2E.
• Les deux sites de liaison du Ca⁺⁺ sont nécessaires à la régulation de l'homéostasie lipidique au niveau de la membrane plasmique.

b. E-Syt2 et E-Syt3 contiennent trois domaines C2, i.e. C2A se lie à Ca⁺⁺ et C2C se lie à PI(4,5)P2 de la MP (Structure and Ca2+-binding Properties of the Tandem C2 domains of E-Syt2 2015).

3. PITPNM1 (Nir2) et les VAP se déplacent vers les mêmes MCS, probablement pour reconstituer le phosphatidylinositol - PtdIns ou PI - (Control of plasma membrane lipid homeostasis by the extended synaptotagmins 2016), i.e. leur fonctionnement est identique dans les MCS RE/Golgi que dans les MCS RE/MP.

L'appauvrissement en Nir2 cellulaire diminue les niveaux de phosphatidylinositol, PI(4)P, PI(4,5)P2 ou PIP2 et PI(3,4,5)P3 ou PIP3 à la MP (Phosphatidylinositol-Phosphatidic Acid Exchange by Nir2 at ER-PM Contact Sites Maintains Phosphoinositide Signaling Competence 2015).

TMEM24

TMEM24 est une protéine du RE qui régule le transfert du phosphatidylinositol (PtdIns ou PI) au niveau des MCS RE/PM en fonction des changements de concentration cytosolique de Ca⁺⁺.

1. TMEM24 est composé par (Lipid transport by TMEM24 at ER–plasma membrane contacts regulates pulsatile insulin secretion 2017) :

• un domaine transmembranaire (TM) N-terminal,
• un domaine SMP,
• un domaine C2,
• un domaine C-terminal qui se lie à la membrane plasmique.

2. TMEM24 transfère préférentiellement le phosphatidylinositol du réticulum endoplasmique (RE) à la membrane plasmique (PM), i.e. ce qui provoque la diminution de la sécrétion d'insuline lors de la stimulation du glucose.

La régulation de TMEM24 dans les MCS RE/PM dépend de la concentration de Ca⁺⁺.

• Lorsque la concentration calcique cytosolique augmente, TMEM24 est phosphorylée par PKC et sa concentration diminue dans les MCS RE/MP.
• Lorsque TMEM24 est déphosphorylée par PP2B/calcineurine (sérine/thréonine phosphatase 2B), i.e. (EC 3.1.3.16), elle est de nouveau recrutée dans les MCS (Regulation of the phosphatase PP2B by protein–protein interactions 2016).

Protéines GRAMD/Lam

1. La famille des protéines Lam/Ltc/Ysp chez la levure, LTP (Lipid Tranfer Protein) à domaine START-like est aussi localisée dans les MCS RE/MP (A new family of StART domain proteins at membrane contact sites has a role in ER-PM sterol transport 2015).

2. Dans les cellules de mammifères, GRAMD1a et GRAMD2a, protéines apparentées à Lam/Ltc, se localisent également dans les MCS RE/PM (GRAM domain proteins specialize functionally distinct ER-PM contact sites in human cells 2018).

Elles contiennent un domaine START-like et un domaine GRAM, proche du domaine PH, et joueraient un rôle dans l'homéostasie du cholestérol, au niveau de la membrane plasmique (A new family of StART domain proteins at membrane contact sites has a role in ER-PM sterol transport 2015),

Trafic du Ca⁺⁺

La reconstitution du stock de Ca⁺⁺ du RE nécessite des réservoirs extracellulaires et les MCS RE/MP y jouent un rôle majeur.

1. Le Ca⁺⁺ est exporté via des canaux calciques dont le plus étudié est le canal Orai1.

Orai1 est un canal hexamérique de la MP dit CRAC (Ca⁺⁺ Release-Activated Ca⁺⁺) qui permet le stockage du Ca⁺⁺ (CRACM1 Multimers Form the Ion-Selective Pore of the CRAC Channel 2006).

La structure de Orai1 comporte (Crystal structure of the calcium release-activated calcium channel Orai 2012) :

• quatre domaines transmembranaires (TM) avec ses extrémités N- et C-terminales faisant face au cytosol,
• un anneau de glutamate extracellulaire pour sélectionner le Ca⁺⁺,
• une région basique à l'intérieur qui régule l'activation du canal.

2. STIM1 (STromal Interaction Molecule1) est une protéine membranaire dimérique du RE qui comprend :

• un seul domaine TM,
• un domaine cytosolique qui comprend une région polybasique responsable de la liaison avec les lipides de la MP,
• trois domaines coiled coil, i.e. CC1, et CC2/3 appelés aussi CAD ou Crac Activation Domain ou SOAR ou STIM-Orai Activating Region nécessaires à l'activation d'Orai1, (Mechanism of STIM activation 2020)
• un domaine luminal composé de main EF (EF hand) qui détecte la concentration du Ca⁺⁺ du RE (Initial activation of STIM1, the regulator of store-operated calcium entry 2013) .

a. À l'état de repos, lorsque la réserve de calcium du réticulum endoplasmique (RE) est pleine, un sous-domaine de CC1 (appelé α1) et les domaines CC2-CC3 de CAD forment une interaction coiled coil en spirale (représentée par de petites flèches doubles noires), ce qui empêche la liaison à Orai (Cell Signaling: The many states of STIM1 2021)

b. L'épuisement des réserves du Ca⁺⁺ du RE peut être dû à des facteurs de croissance, des hormones ou des molécules étrangères qui peuvent déclencher des voies de signalisation dépendantes du calcium.

• Dès lors, STIM1 à l'intérieur du RE (rose) perd ses ions Ca⁺⁺ liés (sphères vertes), provoquant l'interaction des régions entre elles et provoquant une interaction (doubles flèches) entre les domaines transmembranaires (TM vert foncé) des protéines STIM dimérisées.
• Ces réarrangements conduisent probablement à un état intermédiaire dans lequel l'interaction coiled coil CC1α1-CAD est libérée (représentée par des flèches courbes), et la CAD est projetée vers la membrane plasmique tandis que CC1α1 se rapproche des deux autres sous-domaines de CC1 (α2 et α3).

c. STIM1 allongée s'étend dans les MCS RE/MP pour rejoindre la MP où elle se lie et active Orai1 et déclenche l'ouverture du canal et permettant aux ions calcium d'entrer dans la cellule (Store-Operated Calcium Channels 2015).

Le Ca⁺⁺ entre alors dans la lumière du RE via la pompe SERCA (Sarco/ER Ca2+-ATPase) (The SarcoEndoplasmic Reticulum Calcium ATPase (SERCA) pump: a potential target for intervention in aging and skeletal muscle pathologies 2021).

3. GRAMD2 serait co-localisée avec les attaches formées par les E-Syt2/3 aux contacts RE-MP d'une manière dépendante des lipides PIP et pré-marque un sous-domaine de MCS RE-MP enrichi en PI(4,5)P2 utilisé pour le recrutement de STIM (GRAM domain proteins specialize functionally distinct ER-PM contact sites in human cells 2018).

Remarque : dans les cellules musculaires squelettiques, les MCS sont composées du récepteur Ryanodine1 (RyR1) sur la citerne terminale du RE et Ca_v1.1 sur la membrane plasmique, RyR2 et Ca_v1.2 dans le muscle cardiaque.

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