Trafic vésiculaire : endocytose clathrine-dépendante (CME)
3. Cage de clathrine et déformation de la membrane
- Biologie cellulaire et moléculaire
- Constituants de la cellule
- Transport membranaire
- Transports membranaires sans mouvements membranaires
- Transports membranaires avec mouvements membranaires
: trafic vésiculaire
- Fusion/fission membranaire
- Endocytose
- Vue d'ensemble
- Endocytose clathrine-dépendante (CME ou Clathrin-Mediated Endocytosis)
- Reconnaissance de la cargaison
- Adaptateurs à la clathrine
- Formation de la cage de clathrine
- Recrutement des NPF, du complexe Arp2/3 et polymérisation de l'actine
- Détachement de la membrane : fission
- Migration de la vésicule vers l'intérieur de la cellule
- Démontage ou déshabillage de la vésicule de clathrine
- CIE (Clathrin-independant Endocytosis
- Voie sécrétoire
- Protéines membranaires
- Moteurs moléculaires
- Voies de signalisation
Dans vetopsy.fr, pour plus de clarté, nous avons divisé l'endocytose clathrine-dépendante (CME : clathrin-dependant endocytosis) en 8 étapes.
3. L'assemblage permet au puits de se recouvrir de clathrine, i.e. former un puits recouvert de clathrine (CCP ou Clathrin-Coated Pits).
- 3a. Un réseau de protéines (coat - " manteau, couche " ) à base de clathrine se forme à la face interne de la membrane plasmique pour former les CCS (Clathrin-Coated Structures), autre nom des CCP.
- 3b. L'invagination de la membrane est provoquée par la formation d'une dépression peu profonde faisant intervenir des protéines à domaine BAR.
Vous pouvez lire : Evolving models for assembling and shaping clathrin-coated pits (2020).
3a. Formation de la
cage de clathrine
La formation des cages de clathrine (100 nm) et son renouvellement sont très rapides (2500 vésicules par minute avec une demi-vie d'une minute environ).
Clathrine vient du latin clastratus, grillage ou treillis.
La formation de la cage de clathrine génèrerait une force suffisante pour le bourgeonnement intracellulaire des vésicules (Recruitment of clathrin to intracellular membranes is sufficient for vesicle formation 2022)
Structure de la clathrine
La clathrine est formée de triskélions (du grec triskélès, " à trois jambes ") fomés de :
- 3 chaînes lourdes ou longues (190 kDa, 1675 acides aminés) qui forment l'ossature de la cage,
- 3 chaînes légères ou courtes (30-40 kDa, 230-250 acides aminés), intimement liées à elles, qui en régulent le montage et le démontage.
Il en existe deux isoformes selon que les chaînes lourdes soient liées avec une chaine légère a (dans tout l'organisme) ou b dans le muscle.
Chaîne lourde (CHC)
La plupart des vertébrés possèdent deux isoformes des chaînes lourdes de clathrine CHC22 and CHC17 clathrins have distinct biochemical properties and display differential regulation and function 2017) :
- CHC17 retrouvé dans l'endocytose au niveau de la membrane plasmique et au niveau du réseau trans-Golgi (TGN) pour la biogenèse des organites.
- CHC22 jouant un rôle clé dans le ciblage intracellulaire du transporteur de glucose régulé par l'insuline 4 (GLUT4) et dans le développement neuronal.
Cette chaîne lourde (CHC ou Clathrin Heavy Chain) est décrit métaphoriquement comme un membre inférieur.
Pied ou domaine N-terminal
Le pied est le domaine N-terminal (β-propeller à 7 feuillets β, beta sheet, identiques), riche en domaines PRD, i.e. riches en proline, situé à l'intérieur de la cage le plus proche de la membrane plasmique : c'est le principal emplacement de liaison pour les protéines adaptatrices (Weak Molecular Interactions in Clathrin-Mediated Endocytosis 2017 et Life of a clathrin coat: insights from clathrin and AP structures 2006).
1. Le premier site, entre les lames 1 et 2, interagit avec les protéines possédant les " boîtes à clathrine " (LΦxΦD/E), comme :
- les adaptines (LLNLD sur les β-adaptines 1 et 2, LLDLD sur la 3),
- les amphiphysines 1 et 2 (LLDLD),
- les β-arrestines 1 (LIELD) et 2 (LIEFE)…
2. Le second site se lie aux protéines contenant la boîte W-motif (PWxxW) comme les amphiphysines 1 et 2.
3. Le troisième site est le deuxième site de liaison aux β-arrestines, en particulier longues comme la β-arrestine-1L, i.e. motif [L/I]2GxL, et un patch hydrophobe formé par les 4èmeet 5ème lames de clathrine.
4. Le quatrième site 4 est la Royle Box qui n'a pas encore de séquence d'interaction définie, mais qui entre en interaction avec sous-unité β2 de l'AP-2.
Autres domaines
Après le pied, la chaîne lourde est formée de courtes hélices-α ) formant une super-hélice appelée zigzag α (α-hélical hairpin), constituées par des répétitions d'environ 145 aa, appelées clathrin heavy chain repeat - CHCR - (Clathrin self-assembly is mediated by a tandemly repeated superhelix 1999).
1. Suite au pied, on trouve la partie distale composée par :
- la cheville (CHCR0, 1 et 2), qui interagit avec l'AP-2,
- la jambe, partie distale (CHCR3, 4 et 5 N-terminal), un des sites site de liaison du domaine J, par exemple de l'auxilline qui se lie aussi à Hsc70 pour stimuler l'activité ATPase.
3. Puis, la partie proximale est composée par :
- le genou (CHCR5 C-terminal),
- la cuisse, partie proximale (CHCR6 et 7), un des sites site de liaison du domaine J.
4. Enfin, le domaine C-terminal est le siège de la trimérisation (entre les acides aminés 1488-1587), considéré comme un tripode hélicoïdal.
Chaîne légère (CLC)
Les vertébrés possèdent deux isoformes des chaines légères (CLC ou Clathrin Light Chain), i.e. CLCa et CLCb, codées par des gènes distincts, CLTA et CLTB.
La chaîne légère est composée par :
- un domaine C-terminal,
- un domaine central α-hélicoïdal,
- un domaine N-terminal (Structure of Human Clathrin Light Chains conservation of light chain polymorphism in three mammalian species 1988).
Elle se lie à deux sites de la chaîne lourde :
- la cuisse de la chaîne lourde, qui est le site principal, (acides aminés 1267-1522) par les résidus 93-160 de la chaîne légère LCa, et les résidus 90-157 de la LCb (Biochemicaland immunological studies on clathrin light chains and their binding sites on clathrin triskelions 1983) et interagit avec le domaine de trimérisation (Clathrin self-assembly is regulated by three light-chain residues controlling the formation of critical salt bridges 1998) ;
- le domaine de trimérisation (entre 1488-1587).
Assemblage des triskélions
Les triskélions s’assemblent spontanément avec une grande flexibilité pour former une sorte de treillis, d'où le nom de la clathrine (du latin clastratus," treillis ") qui peut prendre plusieurs formes de différentes tailles (Distinct Dynamics of Endocytic Clathrin-Coated Pits and Coated Plaques 2009).
Cages à clathrine
Les cages à clathrines, de 100 nm environ, lors de la formation de puits classiques dits aussi " canoniques " (Clathrin-Coated Pit ou CCP), sont construites par les interactions de nombreux triskélions (cf. figure du manteau de clathrine contenant 36 triskelia).
- Pour fermer la vésicule, la cage doit incorporer 12 pentagones qui lui donnent sa courbure (et donc 6 hexagones)
- La vésicule, en elle-même, de taille variable, en contient beaucoup plus, en formant un icosaèdre tronqué.
Pour mieux comprendre la géométrie des vésicules, lire : The structures of natively assembled clathrin-coated vesicles (2020).
1. Chaque sommet (hub) est constitué par le domaine de trimérisation.
Les jambes des chaînes lourdes et les chaînes légères associées sont placées à l'extérieur du sommet.
2. Chaque côté du polyèdre est formé par 4 domaines : 2 domaines proximaux antiparallèles situés au-dessus de deux domaines distaux antiparallèles (Clathrin self-assembly involves coordinated weak interactions favorable for cellular regulation 2003).
Toutefois pour que les vésicules se forment, la liaison aux adaptateurs est essentielle pour pouvoir aligner les domaines distaux correctement (Complete Reconstitution of Clathrin Basket Formation with Recombinant Protein Fragments: Adaptor Control of Clathrin Self-Assembly 2000).
- Si l'on place des domaines proximaux et des domaines de trimérisation, ils forment des trimères, mais pas de treillis.
- La formation de cages nécessite des domaines distaux correctement orientés par la liaison de leur domaine N-terminaux avec l'adaptateur.
3. Les pieds, domaines terminaux, sont dirigés vers l'intérieur, en direction du centre de la cage et se trouvent sous les sommets.
- Ils prennent une forme de crochets qui permettent leur fixation à la couche interne formée par les protéines adaptatrices. Ils sembleraient interagir avec les chevilles des autres trimères.
- En outre, leurs trois segments C-terminaux forment une cavité en forme d'entonnoir qui contient un motif QLMLT (résidus 1638–1642 chez les mammifères) qui permet une liaison optimale avec la protéine Hsc70, protéine de déshabillage des cages de clathrine.
" Plaques " à clathrine
Les " plaques " non-canoniques, formées surtout d'hexagones qui produisent un réseau de faible courbure. ou même plat, ont encore un rôle ambigu
1. Dans l'adhésion cellulaire, la formation de plaques est lié à la modification de la matrice extracellulaire (ECM) par des adhérences focales (Focal adhesion-generated cues in extracellular matrix regulate1 cell migration by local induction of clathrin-coated plaques 2018).
- Les adhérences focales digèrent l'ECM en créant des indices topographiques extracellulaires qui dictent l'emplacement futur des plaques recouvertes de clathrine.
- Eps15 et Eps15R comme des régulateurs clés pour la formation de plaques recouvertes de clathrine sur les sites ECM localement remodelés.
2. De nombreuses plaques de clathrine se retrouvent aussi dans les muscles au niveau des costamères qui relient l'appareil contractile au sarcolemme et qui connectent le sarcolemme à la lame basale (Clathrin plaques and associated actin anchor intermediate filaments in skeletal muscle 2019)..
Les plaques de clathrine agiraient comme des plateformes capables de recruter l'actine corticale ramifiée qui à son tour ancre les filaments intermédiaires à base de desmine, tous deux essentiels pour la formation et la fonction musculaire.
Remarque : les processus de formation des cages et des plaques sont distincts, i.e. il n'y a pas de transformation - montage, démontage - d'une à l'autre comme on le supposait et leur relation, s'il y en a une, est pour l'instant obscure (Distinct Dynamics of Endocytic Clathrin-Coated Pits and Coated Plaques 2009).
3b. Déformation de la membrane
Les résultats d'expériences contradictoires à ce stade 3 montrent qu'un certain nombre de protéines peuvent procéder à l'initiation de l'endocytose (From uncertain beginnings : Initiation mechanisms of clathrin-mediated endocytosis 2013) :
- deux adaptines avec un triskélion,
- la courbure de la membrane par une protéine BAR ou autre (epsine…),
- le regroupement des cargos,
- le recrutement d'un gradient de lipides spécifiques comme le PI(4,5)P2 ou PIP2.
1. Des molécules à domaine N-BAR, comme l'amphiphysine, ou à domaine F-BAR, comme FCho1, la FCho2…, mais aussi l'epsine courbent la membrane.
Les domaines BAR et leurs fonctions sont étudiés dans des chapitres spéciaux.
2. De nombreuses molécules à domaine BAR lient la membrane au cytosquelette et favorisent la polymérisation de l'actine.
- Certaines se lient par leur domaine SH3 au domaine PRD dss NPF (Nucleation Promoting Factor comme WASP/WAWE. Cette liaison provoque la dimérisation du domaine VCA des NPF, puissant activateur du complexe Arp2/3.
- D'autres sont des effecteurs ou des régulateurs des GTPases de la famille Rho.
- D'autres enfin se lient et mettent en réseau directement les microfilaments d'actine (protéines de réticulation).
4. Recrutement des NPF, du complexe Arp2/3 et polymérisation de l'actine
Biologie cellulaire et moléculaireConstituants de la celluleTransport membranaireTransports sans mouvements membranairesTransports passifsTransports actifsTransports avec mouvements membranaires : trafic vésiculaireFusion/fission membranaireEndocytoseCavéolesVoie sécrétoireCanaux ioniquesTransporteursUniportsPompesCo-transporteursMoteurs moléculairesVoies de signalisation