Transport membranaire : voie sécrétoire
Modèles du trafic intra-Golgien (IGT) : VM et CMPM

À L'heure actuelle, quatre principaux modèles de transport intracellulaire, reposent sur trois grands principes, i.e. dissociation, progression et diffusion, sont décrits :

• le modèle vésiculaire (VM),
• le modèle de maturation-progression des citernes (CMPM),
• le modèle de diffusion (DM),
• le modèle kiss-and-run (KARM), qui existe sous forme de deux variantes, symétrique et asymétrique.

Modèle vésiculaire (VM)

1. Le modèle vésiculaire (VM) suppose que des vésicules assurent le transport dans l'appareil de Golgi.

• Initialement, on pensait que les vésicules recouvertes de clathrine qui étaient visibles du côté trans de l'appareil de Golgi (TGN) étaient des transporteurs.
• Puis, le modèle a été modifié et des vésicules recouvertes de coatomère I (COPI) ont été désignées comme transporteurs. Cependant, il n'y a pas de vésicules recouvertes de COPI près du Golgi.

2. Les protéines de l'ERGIC ou les vésicules selon le modèle, se déplacent vers le cis-Golgi par la formation de vésicules qui bourgeonnent, subissent une fission et fusionnent avec le compartiment suivant, i.e. ERGIC, cis-Golgi, Golgi médian, trans-Golgi (TGN), cytosol, membrane plasmique.

• Les citernes dans ce modèle sont stationnaires et les protéines golgiennes (GGE) restent en place.
• Les vésicules sécrétoires transportent les protéines du RE.
• Le transport vésiculaire est antérograde, RE vers cis-Golgi.

3. Toutefois, certaines observations contredisent le VM.

a. Les mégacargos (agrégats de protéines de 60 nm non désassemblés lors de l'IGT) ne peuvent pas être transportés par des vésicules COPI, i.e. maximum 52 nm, en raison de leur grande taille.

Les agrégats de procollagène formés du côté cis du Golgi la traversent sans subir de désassemblage.

Cette observation rejetait le modèle vésiculaire et était plus conforme au modèle de maturation (CMPM) décrit dans le chapitre suivant.

Pour expliquer ces données, le modèle vésiculaire a été modifié.

• Il existerait des mégavésicules spéciales pour les mégacargos qui n'existent pas (Small cargo proteins and large aggregates can traverse the Golgi by a common mechanism without leaving the lumen of cisternae 2001).
• Alors, on a pensé que les mégacargos pouvaient être divisés en parties plus petites pendant le transport, qui, elles, seraient transportées par des vésicules COPI ou par des mégavésicules (Variations on the Intracellular Transport Theme: Maturing Cisternae and Trafficking Tubules 1997).

b. On sait maintenant que la grande majorité des cargos sont absents des vésicules COPI, malgré Inter-Golgi transport mediated by COPI-containing vesicles carrying small cargoes (2013).

• La résolution de la microscopie à déplétion par émission stimulée est d'environ 100 nm et le diamètre réel des vésicules COPI est de 52 nm, i.e. la résolution de leur méthode est inférieure à la taille des structures qu'ils ont mesurée.
• Ls vésicules dérivées de COPI sont sur des cordes, i.e. des protéines fibreuses d'attache situées à la surface des citernes empêchent les vésicules bourgeonnantes de diffuser sur une longue distance, mais leur permettent de se diffuser latéralement, limitant ainsi les transferts aux citernes attenantes dans le Golgi (Vesicles on strings: Morphological evidence for processive transport within the Golgi stack 1998 et Organellar relationships in the Golgi region of the pancreatic beta cell line, HIT-T15, visualized by high resolution electron tomography 2001).

Dans les cellules de mammifères, aucune n'a mis en évidence des vésicules enrobées ou non de 52 nm à une distance de plus de 200 nm.

Un autre problème de l'étude précédente est le rapport volume/surface des transporteurs, i.e. l'observation a été faite sur des transporteurs beaucoup plus gros que les vésicules COPI. Dans un autre article, le nombre de vésicules n'est pas suffisant pour l'IGT des cargaisons solubles (Land-locked mammalian Golgi reveals cargo transport between stable cisternae 2017).

Modèle de maturation-progression des citernes (CMPM)

Le modèle de maturation-progression des citernes (CMPM) suppose que  :

• les citernes du Golgi mûrissent en se déplaçant du cis-Golgi au trans-Golgi (TGN), puis vers la membrane plasmique où elles délivrent les protéines,
• les protéines résidentes du Golgi (GGE) subissent un recyclage dans les vésicules COPI.

1. Les citernes elles-mêmes servent de transport aux protéines nouvellement formées du réticulum endoplasmique (RE) et se déplacent vers la membrane plasmique.

• Les transporteurs RE-Golgi nouvellement formés à partir des citernes cis-Golgi subissent une progression de la position proximale à la position distale en raison de l'arrivée constante de nouvelles citernes du côté cis et du départ constant des citernes du côté trans.
• Les cargos ne quittent pas les citernes, i.e. leur concentration à l'intérieur de la citerne au cours de sa progression n'est pas modifiée.

2. Quant est-il des protéines golgiennes (GGE ou Golgi Glycolytic Enzymes) ?

• Elles devraient suivre le mouvement, i.e. COPI et les protéines résidentes du Golgi sont concentrées dans les vésicules COPI.
• Or, on ne trouve pas de GGE au niveau de la membrane plasmique, excepté la mannosidase II (ManII).

Les GGE seraient recyclées dans une citerne plus proximale à l'aide de vésicules COPI. Ce modèle a été modifié plusieurs fois (Intra-Golgi transport: A way to a new paradigm? 2005).

3. Le schéma général serait le suivant.

• (A) Formation de transporteurs RE vers Golgi .
• (B) Livraison du transporteur RE vers Golgi au Golgi.
• (C) Fusion des transporteurs RE vers Golgi et formation de la nouvelle citerne cis-Golgi. (D) Formation de bourgeons recouverts de COPI sur les citernes du Golgi.
• (E) Fission des vésicules et déshabillage
• (F) Fusion des vésicules COPI-dépendantes avec les citernes de Golgi proximales. (G–I) Nouveau cycle de formation de citernes cis, de bourgeonnement dépendant du COPI, de formation de vésicules, de déshabillage et de fusion.
• (I) Départ de la citerne la plus trans sous forme de porteurs post-Golgi.
• (J–N) Cycles supplémentaires d'événements similaires. (
• O) Après le départ par étapes des porteurs post-Golgi, la citerne cis-Golgi formée après la réinitiation de l'IGT devient la trans-citerne.

3. Toutefois, certaines observations contredisent le CMPM.

a. L'augmentation observée des concentrations (augmentation de la densité numérique) de tout cargo, et notamment des mégacargos contredit le VMPM car normalement elles ne devraient pas être modifiées si toute la citerne se déplace.

b. La vitesse de livraison du cargo du côté cis au côté trans devrait être égale, i.e. les cargos ne doivent pas traverser les empilements de saccules du Golgi à des vitesses différentes dans le sens cis-trans.

• Or, les cargaisons solubles ont atteint le côté trans du Golgi plus rapidement que le procollagène ou le VSVG (Transport of soluble proteins through the Golgi occurs by diffusion via continuities across cisternae 2013.
• De plus, les agrégats de protéines de cargaison à l'intérieur des distensions cisternales sont déplacés plus rapidement que les domaines spécifiques de la citerne où les membranes opposées étaient reliées par des ponts protéiques (Stapled Golgi cisternae remain in place as cargo passes through the stack 2013).

c. Les concentrations des protéines résidentes du Golgi dans les vésicules COPI devraient être plus élevées que dans les citernes. En effet, si la concentration de ces protéines dans les vésicules était inférieure à celle des citernes, le recyclage de ces protéines serait très lent.

• Or, les concentrations de la plupart des GGE sont plus faibles que dans les membranes des citernes (Golgi Enzymes Are Enriched in Perforated Zones of Golgi Cisternae but Are Depleted in COPI Vesicles 2003).
• Les transporteurs de sucres nucléotidiques ont également des concentrations plus faibles dans les vésicules COPI-dépendantes que dans les citernes.

De plus, les empilements de saccules de transport contiennent moins de vésicules que les empilements de saccules non transporteurs (Segregation of the Qb-SNAREs GS27 and GS28 into Golgi Vesicles Regulates Intra-Golgi Transport 2013).

• Lorsqu'une grande quantité de cargaison se déplace à travers le Golgi, même si l'on prend en considération la vitesse maximale possible de formation des vésicules COPI, le nombre de vésicules COPI correspond à seulement que 10% des vésicules nécessaires à l'IGT.
• Les vésicules de Golgi serviraient à la séquestration de GS27 et GS28 et leur nombre est inversement corrélé au nombre de connexions inter-cisternales.

Les sialyltransférases et les fucosyltransférases sont présentes dans la citerne la plus trans (TMC ou Trans-Most Cisterna) dans laquelle on ne trouve pas de bourgeons recouverts de COPI contrairement à ce qui a été observé par certains auteurs.

• En principe, il est possible que les vésicules dépendantes de la clathrine puissent fonctionner comme des transporteurs rétrogrades.
• Mais, le nombre de vésicules dépendantes de la clathrine est d'environ un vingtième du nombre nécessaire pour le recyclage synchrone des protéines résidentes de Golgi.

Enfin, chez Saccharomyces cerevisiae, les vésicules COPI ont des concentrations de protéines plus faibles sur les membranes de Golgi que dans les compartiments de Golgi (Three-dimensional and immune electron microscopic analysis of the secretory pathway in Saccharomyces cerevisiae 2016).

Si les citernes de Golgi sont immobilisées, le transport ne doit pas être bloqué, en raison de la nature dynamique des citernes de Golgi.

Comparaison CMPM/KARM (d'après Beznoussenko et coll)
Observation	Modèle
	CMPM	KARM	Démonstration
Formation de domaine	Neutre	Souhaité	Oui
Concentration accrue de SNARE dans la membrane des domaines de fret	Neutre	Souhaité	Oui
Pores autour des domaines de fret	Neutre	Souhaité	Oui
Enrichissement des cargos du côté trans du Golgi	Interdit	Possible	Oui
Stabilité du nombre de citernes médiales lors du transport intra-golgien	Interdit	Souhaité	Oui
Augmentation de la concentration d'enzymes Golgiennes (GGE) dans les vésicules COPI	Souhaité	Neutre	Non
Isolement complet des compartiments de Golgi chez S. cerevisiae	Neutre	Interdit	Non
Fusion temporelle du compartiment de Golgi hétérogène chez S. cerevisiae	Neutre	Souhaité	Oui

Modèle de diffusion (DM et modèle KARM (Kiss-And-Run Model)