Le système endomembranaire : structure et flux

Le système endomembranaire (SEM) est un réseau complexe de compartiments intracellulaires interconnectés chez les eucaryotes, essentiel au traitement, au trafic et à l'adressage des protéines et des lipides.

I. Généralités sur le Système Endomembranaire

Le SEM est un ensemble de cavités délimitées par des membranes, communiquant via des vésicules et des canalicules. Ces membranes sont similaires à la membrane plasmique mais plus fines. La lumière de ces cavités est topologiquement équivalente au milieu extracellulaire.

A. Composants du SEM

• Réticulum Endoplasmique (RE) :
  • Réticulum Endoplasmique Granuleux (REG) : avec ribosomes sur la face cytosolique, impliqué dans le métabolisme des protéines.
  • Réticulum Endoplasmique Lisse (REL) : sans ribosomes, impliqué dans le métabolisme des lipides.
• Enveloppe Nucléaire : en continuité avec le RE.
• Appareil de Golgi.
• Endosomes et Lysosomes.
• Vésicules de transport, vacuoles, canalicules.

B. Types de Transport Intracellulaire

• Transports vésiculaires : entre les compartiments du SEM.
• Transports transmembranaires : via des complexes de translocation (mitochondries, peroxysomes, cytosol vers REG).
• Transport par pores : pour le noyau (histones, polymérases).

C. Flux Membranaires

Les flux membranaires impliquent le transport simultané du contenant (membrane) et du contenu (protéines solubles). Le trajet est déterminé par le point d'entrée et les signaux d'adressage.

II. Les Divers Flux Membranaires du SEM

A. Flux Membranaire Vectoriel Permanent (FMVP)

C'est le flux de référence, responsable du renouvellement du SEM.

• Le RE est la principale porte d'entrée.
• Les vésicules se dirigent ensuite vers l'appareil de Golgi (carrefour du FMVP).
• Du Golgi, deux voies sont possibles :
  • Vers la membrane plasmique (protéines transmembranaires et de sécrétion).
  • Vers les endosomes puis les lysosomes (enzymes lysosomales).

L'expérience de Palade et collaborateurs (pulse-chase avec leucine tritiée) a mis en évidence ce flux dans les cellules pancréatiques exocrines.

B. Flux Membranaires Rétrogrades

Ces flux sont de sens opposé au FMVP et ont le RE comme point d'arrivée.

• De la membrane plasmique directement au Golgi (via cavéoles).
• De la membrane plasmique vers les endosomes puis vers le Golgi.
• Du Golgi vers le RE (voie finale commune pour le retour de protéines résidentes du RE).

C. Flux Membranaires ayant les Endosomes pour Carrefour

Ce flux part de la membrane plasmique vers les endosomes. Les endosomes redirigent ensuite vers :

• La membrane plasmique (recyclage).
• Les lysosomes (sens du FMVP).
• Le Golgi (flux rétrograde).

III. Les Divers Compartiments du SEM

A. Le Réticulum Endoplasmique (RE)

1. Généralités

Le RE est un réseau de canalicules et de vésicules en continuité avec l'enveloppe nucléaire. Les ribosomes s'y accolent transitoirement lors de la synthèse protéique. La membrane du RE est plus fluide que la membrane plasmique (moins de cholestérol).

2. Fonctions du Réticulum Endoplasmique

1. Translocation dans le REG : Collecte des protéines membranaires et sécrétées.
   • La synthèse des protéines à destination du SEM débute dans le cytosol.
   • Une séquence signal hydrophobe (N-terminale) est reconnue par la particule SRP (Signal Recognition Particule), une ribonucléoprotéine GTPase.
   • Le complexe [peptide signal/SRP+GTP] se lie au récepteur de la SRP (GTPase) sur la membrane du REG.
   • Le ribosome se fixe au translocon (pore protéique).
   • L'hydrolyse des GTP de la SRP et de son récepteur entraîne leur dissociation et la reprise de la traduction.
   • La protéine en cours de synthèse traverse le translocon (processus co-traductionnel et ATP-dépendant).
   • Des chaperonnes comme la BIP (Binding Protein, ATPase) tirent la protéine dans la lumière du RE et aident à sa conformation.
   • Une peptidase du signal clive la séquence signal, libérant la protéine soluble dans la lumière du REG.
   • Pour les protéines transmembranaires, l'insertion dans la membrane du REG dépend du nombre de domaines transmembranaires et de la localisation des extrémités N- et C-terminales, impliquant des signaux d'insertion internes ou des séquences d'arrêt de transfert.
2. N-Glycosylation :
   • Phénomène co-traductionnel, transforme une protéine en glycoprotéine.
   • Un oligosaccharide est greffé sur un groupement amine (NH2) d'une asparagine (Asn) dans une séquence Asn-X-Sérine/Thréonine.
   • Implique un précurseur glucidique (2 N-acétylglucosamines, 9 mannoses, 3 glucoses) construit sur le dolichol (lipide membranaire du RE).
   • Le précurseur est transféré en bloc par une N-glycosyl-transférase.
   • L'arborisation est élaguée par des glycosidases (3 glucoses, 1 mannose), résultant en une N-glycosylation de type "mannose-dominant" dans le RE.
3. Acquisition de la conformation spatiale de la protéine :
   • Établissement de ponts disulfures par la PDI (Protein Disulfur Isomerase) dans la lumière oxydante du RE.
   • Intervention de protéines chaperonnes : BIP (soluble) et Calnexine (transmembranaire), nécessitant ATP et calcium.
   • Les protéines mal configurées sont rétrotransloquées vers le cytosol pour être dégradées par le protéasome après ubiquitinylation.
4. Synthèse des protéines liées à la membrane par ancre GPI.
5. Translocation de peptides antigéniques pour la présentation aux lymphocytes.
6. Synthèse des phospholipides et du cholestérol (REL).
7. Stockage et libération du calcium (Ca²⁺) : Le RE séquestre le Ca²⁺ via une pompe Ca²⁺/ATPase. Le réticulum sarcoplasmique est un RE très développé dans les cellules musculaires.
8. Le RE contient la glucose-6-phosphatase, enzyme clé dans le maintien de la glycémie.
9. Coopération REL-mitochondries pour la synthèse d’hormones stéroïdes (impliquant le cytochrome P450).
10. Le cytochrome P450 est impliqué dans les réactions de détoxification de molécules (ex: médicaments).

B. L'Appareil de Golgi

1. Caractéristiques

Ensemble de saccules aplaties (citernes) organisées en dictyosomes. Chaque dictyosome comprend 3 régions :

• Face cis (côté noyau).
• Région médiane.
• Face trans, en continuité avec le réseau trans-golgien (TGN).

Le Golgi est indépendant du RE et assure une maturation progressive des protéines (modifications post-traductionnelles).

2. Fonctions du Golgi

• O-Glycosylation des protéines :
  • Débute et s'achève dans la lumière des saccules médian et trans du Golgi.
  • Processus post-traductionnel.
  • Un sucre est greffé sur l'oxygène (O) de la chaîne latérale de la sérine ou de la thréonine par une O-glycosyl-transférase.
  • Les résidus sucrés sont ajoutés un par un.
• Modifications des chaînes oligosaccharidiques N-liées :
  • Phosphorylation de résidus mannose (étiquette mannose-6-phosphate = M6P) dans le cis-Golgi, essentielle pour l'adressage des hydrolases lysosomales.
  • Transformation de l'arborisation sucrée de type "mannose-dominant" en type "complexe" par enlèvement de mannoses et addition de nouveaux résidus (galactose, N-acétyl-glucosamine, NANA).
  • Sulfatation de certains résidus sucrés dans le trans-Golgi.
• Synthèse des sphingolipides (dans le feuillet luminal des Golgi cis et médian), des sphingophospholipides et des glycosphingolipides.
• Stockage de Ca²⁺ (à un niveau moindre que le RE).
• Le trans-Golgi est une station de tri pour les protéines destinées à la membrane plasmique ou aux endosomes/lysosomes.

C. Les Endosomes

Caractéristiques

Compartiments membranaires hétérogènes recevant des vésicules à clathrine de la membrane plasmique (endocytose) et du trans-Golgi (hydrolases acides, pompe H⁺/ATPase). Ils évoluent vers les lysosomes avec un pH de plus en plus acide (précoces ~7.4, tardifs ~6.5).

Rôle de carrefour et station de tri

Les endosomes redirigent les matériaux vers :

• La membrane plasmique (recyclage).
• Le cytosol (métabolites, génome viral, toxines bactériennes).
• Les lysosomes (matériaux à dégrader).
• Le TGN (glycoprotéines transmembranaires spécifiques du Golgi, ex: récepteur M6P).

D. Les Lysosomes

1. Caractéristiques

Organites denses aux électrons, riches en hydrolases acides. Leur membrane contient :

• Glycoprotéines non enzymatiques (ex: Lamp).
• Glycoprotéines enzymatiques (ex: phosphatase acide).
• Pompe H⁺/ATPase (maintien du pH acide ~5).
• Perméases pour l'export des produits du catabolisme vers le cytosol.

Ils résultent de la fusion de vésicules du trans-Golgi (lysosomes primaires) avec des vésicules d'endocytose (endosomes, phagosomes).

2. Fonction de digestion cellulaire

Les enzymes lysosomales dégradent toutes les familles de biomolécules (sauf hydrocarbures) en métabolites élémentaires, qui sont ensuite réutilisés par la cellule. Les matériaux à dégrader proviennent de l'endocytose, la phagocytose ou l'autophagie. Les lysosomes assurent la nutrition cellulaire, le renouvellement des constituants et la défense contre les pathogènes. Les maladies lysosomales (ex: maladie de Gaucher) sont dues à des inactivités enzymatiques et entraînent des accumulations de produits.

IV. Les Diverses Étapes des Flux Membranaires

A. Description Générale des 4 Étapes

1. Bourgeonnement et détachement de vésicules recouvertes (domaine membranaire du compartiment donneur + protéines cytosoliques de revêtement).
2. Déshabillage des vésicules, permettant l'interaction avec le cytosquelette.
3. Transport orienté des vésicules déshabillées dans le cytosol, impliquant le cytosquelette et des protéines motrices.
4. Fusion des vésicules avec le compartiment receveur (rapprochement, ancrage, fusion).

B. Types de Vésicules Recouvertes

• Vésicules à manteau de clathrine : impliquent des protéines d'adaptation (adaptine) et des protéines G monomériques (dynamine, GTPase de fermeture).
• Vésicules à revêtement de coatomères COP (COP I et COP II) : impliquent des protéines G monomériques (ARF pour COP I, SARP 1 pour COP II).
• Vésicules à revêtement de cavéoline : présentes lors d'endocytoses à partir de rafts lipidiques, leur détachement est dynamine-dépendant.

Transport	Manteau
RE → Golgi (FMVP)	COP II
Golgi → RE (rétrograde)	COP I
Golgi cis → Golgi trans	COP I
Golgi trans → Golgi cis	COP I
TGN → Exocytose constitutive	COP I
TGN → Exocytose régulée	Clathrine
TGN → Endo/lysosomes	Clathrine
Endosomes → TGN	Clathrine
Membrane plasmique → Endosomes	Clathrine
Membrane plasmique → Cavéosomes	Cavéoline

C. Déshabillage des Vésicules

• Vésicules à clathrine : intervention d'une HSP70 (ATPase de déshabillage), recyclage des clathrines et adaptines.
• Vésicules coatomères COP I : rôle de la GTPase ARF (+GTP) pour le déshabillage, recyclage des coatomères et ARF (+GDP).

D. Transport des Vésicules dans le Cytosol

Implique le cytosquelette et ses protéines motrices (ATP-dépendant) :

• Microtubules et MAP motrices (kinésine vers l'extrémité "+"/membrane plasmique ; dynéine vers l'extrémité "-"/centrosome/Golgi) pour les longues distances.
• Microfilaments d'actine et protéines associées (gelsoline, myosine I) pour les courtes distances.

E. Fusion des Vésicules avec le Compartiment Receveur

Processus ATP-dépendant en 3 étapes :

1. Rapprochement (reconnaissance, capture) : Implication d'une protéine G monomérique Rab (+GTP) de la membrane vésiculaire et d'un complexe d'approche cytosolique.
2. Ancrage (amarrage, arrimage) : Implication de protéines SNARE spécifiques (V-SNARE sur la vésicule, T-SNARE sur la membrane cible) et de complexes protéiques cytosoliques (NSF, SNAP).
3. Fusion des membranes : Machinerie moléculaire de fusion (Rab, NSF, SNAP, SNAREs) et ions Ca²⁺.

La spécificité de l'adressage est assurée par la diversité des Rab, V-SNARE et T-SNARE.

F. Signaux d'Adressage du Matériel Transporté

Ces signaux maintiennent les caractéristiques de chaque compartiment.

• Entrée dans le REG :
  • Protéines solubles : peptide signal clivable en N-terminal.
  • Protéines transmembranaires : séquence d'arrêt de transfert ou séquence signal interne hydrophobe non clivable.
• RE jusqu'au Golgi : Sécrétion constitutive (voie par défaut, pas de signal spécifique).
• Maintien dans le RE (signaux de rétention) :
  • Protéines solubles (chaperonnes BIP, PDI) : séquence KDEL (Lys-Asp-Glut-Leucine) à leur extrémité C-terminale.
  • Protéines transmembranaires : séquence KKXX (Lys-Lys-2AA hydrophiles) cytosolique.
• Mécanisme de retour des protéines du RE depuis le Golgi (flux rétrograde) :
  • Protéines transmembranaires : le revêtement COP I reconnaît la séquence KKXX cytosolique.
  • Protéines solubles : les récepteurs à KDEL du cis-Golgi possèdent la séquence KKXX, permettant au COP I de les reconnaître et de ramener les protéines KDEL vers le RE.
• Adressage des hydrolases acides lysosomales :
  • Synthétisées et N-glycosylées dans le RE.
  • Formation de groupements mannose-6-phosphate (M6P) dans le cis-Golgi.
  • Dans le trans-Golgi, reconnaissance du M6P par un récepteur membranaire (R-M6P).
  • Formation d'une vésicule à clathrine qui fusionne avec un endosome tardif, puis un lysosome.
  • Dissociation de l'enzyme et du récepteur à pH acide, recyclage du récepteur M6P vers le Golgi.