Système endo-lysosomal : lysosomes
Positionnement

Les lysosomes, bien qu'ils puissent se déplacer de manière bidirectionelle ( trafic des lysosomes), sont localisés, à l'état d'équilibre, dans la région périnucléaire appelée MTOC (MicroTubule-Organizing Center) et sont appelés lysosomes périnucléaires.

1. Les lysosomes périphériques sont situés près de la membrane plasmique.

2. Les lysosomes périnucléaires, par rapport aux lysosomes périphériques :

• 

  sont plus acides ( acidité lysosomale),
• reçoivent des cargos plus facilement,
• sont moins mobiles.

Positionnement régulé
par les autres organites

1. Le réticulum endoplasmique (RE), le plus grand organite intracellulaire qui contient la majorité des lipides cellulaires, est étroitement associé à la biologie endosomal.

2. Les sites de contact RE/endosome participent à diverses fonctions moléculaires ( fonctions des MCS RE/endosomes), et en particulier au positionnement des lysosomes.

Par exemple, les MCS contrôlent le positionnement et la direction du transport liés :

• au cholestérol par ORPIL1 et VAPA ( trafic des lysosomes suivant le taux de cholestérol),
• à la protrudine et FYCO1 ( inhibition du trafic des lysosomes par la protrudine),
• à l'ubiquitine ligase RNF26, localisée dans le réticulum endoplasmique périnucléaire, qui concentrerait les endosomes dans cette région ( positionnement des lysosomes par RNF26).

Positionnement régulé par les nutriments

Au niveau cellulaire, la membrane plasmique et le système endosomal évalue le contenu de leur milieu environnant, en particulier les nutriments (The lysosome: A crucial hub for AMPK and mTORC1 signalling 2017 et Mechanisms of lysosomal positioning and movement 2018).

1. mTORC1 est un régulateur de croissance principal qui s'active du côté cytosolique des lysosomes en réponse aux nutriments, que ce soit lors de nutrition " normale " ou lors de famine ( autophagie) et ( voie mTORC1).

mTORC1 est recruté dans les lysosomes par un complexe hétérodimérique composé de (Molecular Biology of the Cell Weak membrane interactions allow Rheb to activate mTORC1 signaling without major lysosome enrichment 2019) :

• RagA/B lié au GTP,
• RagC/D lié au GDP, où il est activé par la Rheb GTPase.

Le complexe multi-sous-unités Ragulator et GATOR1 ont été respectivement identifiés comme le facteur d'échange de guanine et la protéine activatrice GTPase (GAP) de RagA/B (A tumor suppressor complex with GAP activity for the Rag GTPases that signal amino acid sufficiency to mTORC1 2013).

2. Le positionnement lysosomal est intimement associé à l'activité de mTORC1 et aux niveaux de nutriments, en particulier jes niveaux d'acides aminés cytoplasmiques ou lysosomaux.

Dans des conditions riches en nutriments,

• le pH intracellulaire diminue, mTORC1 est activé,
• la concentration de kinésine 13 (KIF2A) et d'Arl8 augmente et provoque la dispersion des lysosomes vers la périphérie (Lysosomal positioning coordinates cellular nutrient responses 2011),
• la synthèse des autophagosomes diminue ainsi que leur fusion avec les lysosomes.

Lors de famine,

• le pH intracellulaire augmente, mTORC1 est inactivé, éliminé de la membrane lysosomale par l'inactivation du complexe Ragulator,
• la concentration de KIF2 et d'Arl8 diminue et les lysosomes périphériques se déplacent vers la région périnucléaire grâce à la dynéine,
• la synthèse des autophagosomes augmente, et leur trafic et leur fusion avec les lysosomes s'effectuent dans la région périnucléaire ( fusion lysosomes/autophagosomes).

3. Ce positionnement nécessite l'intervention ( trafic des lysosomes suivant le taux de cholestérol) :

• de l'interaction ORPIL1/VAPA et l'inhibition de la localisation de PLEKHM1 à Rab7, lors de faible taux de cholestérol par exemple,
• de la formation du complexe Rab7-RILP-PLEKHM1 qui recrute le complexe de liaison HOPS aux endosomes tardifs/lysosomes afin qu'ils puissent fusionner avec les autophagosomes, lors de taux de cholestérol adéquat.

4. L'élimination de mTORC1 de la membrane lysosomale lors de famine suit l'inactivation du complexe Ragulator.

Ragulator est un complexe lysosomal qui contrôle l'activation de mTORC1 et l'autophagie en aval, en réponse à de faibles taux d'acides aminés.

• 

  Ragulator peut interagir avec le complexe BORC pour inactiver la diffusion endosomale tardive dépendante d'Arl8 par SKIP/kinésine 1.
• Ainsi, l'épuisement des acides aminés renforce l'interaction BORC-Ragulator pour améliorer le regroupement périnucléaire des lysosomes (Ragulator–BORC interaction controls lysosome positioning in response to amino acid availability 2017 et BORC/kinesin-1 ensemble drives polarized transport of lysosomes into the axon 2017).

Cependant, il semble le positionnement lysosomal contrôlé par BORC-Ragulator en réponse aux acides aminés semble être indépendant de mTORC1, le mécanisme exact n'est pas bien compris (LAMTOR/Ragulator is a negative regulator of Arl8b- and BORC-dependent late endosomal positioning 2017).

5. Après la famine, la protéine transmembranaire lysosomale TMEM55B, le PI-4 phosphatase transmembranaire, recrute l'adaptateur de dynéine JIP4, puis le complexe dynéine/dynactine sur les lysosomes induisant le transport vers l'extrémité négative (-), i.e. vers MTOC.

Les niveaux de protéine TMEM55B sont régulés positivement de manière transcriptionnelle via mTORC1 lors de la famine ou de l'accumulation de cholestérol pour induire un regroupement périnucléaire (TFEB regulates lysosomal positioning by modulating TMEM55B expression and JIP4 recruitment to lysosomes 2017).

• La surexpression de TMEM55B provoque l'effondrement des lysosomes dans le centre cellulaire, tandis que l'épuisement de TMEM55B ou de JIP4 entraîne une dispersion vers la périphérie cellulaire.
• La déplétion en TMEM55B ou JIP4 abolit le transport lysosomal rétrograde induit par la famine et empêche la fusion autophagosome-lysosome.

Une fois regroupés, les sites de contact membranaire formés entre les lysosomes et l'appareil de Golgi entraînent leur immobilisation dans la région périnucléaire par la folliculine - FLCN - ( MCS Golgi/lysosomes)

Remarque : JIP4 interagit aussi avec la kinésine (The structural basis of Arf effector specificity: the crystal structure of ARF6 in a complex with JIP4 2009 et JIP4 is recruited by the phosphoinositide-binding protein Phafin2 to promote recycling tubules on macropinosomes 2020).

Positionnement régulé par phosphoinositides

Les catégories d'endosomes sont caractérisés par des phosphoinositides différents qui vont aussi décider de leur emplacements par leurs interactions avec les protéines motrices ou avec les différents adaptateurs ( endosomes et phosphoinositides).

1. Les endosomes précoces et les endosomes tardifs contiennent en majorité du PI(3)P qui est l'un des facteurs critiques pour la maturation endosomale précoce.

2. La maturation des endosomes tardifs en lysosomes s'accompagne d'une conversion de PI(3)P en PI(3,5)P2 généralement associée à la dégradation des cargos ( PI(3,5)P2 et endosomes).

• Ce processus active le canal calcique lysosomal TRPML1 qui augmente les niveaux de calcium cytosolique pour recruter ALG2, le capteur de Ca⁺⁺ cytosolique.
• La formation du complexe TRPML1/ALG2/dynéine sur les membranes lysosomales induit le transport rétrograde (centripète) des lysosomes.

3. Le recrutement par les PIP nécessite le plus souvent souvent une interaction de domaines protéiques solubles, PH, FYVE, PX… avec des groupes de tête lipidiques ( PIP et interactions endosomales) :

• des Rabs ou des Arl/Arf et de leur effecteurs qui peuvent avoir des domaines interagissant avec les phosphoinositides qui modulent leurs interactions avec les protéines motrices,
• des protéines motrices elles-mêmes.

Remarque : le réseau d'actine joue aussi un rôle ( transport par le cytosquelette d'actine) :

• l'exocytose des lysosomes et des LRO (Lysosome-Related Organelles) par le cortex cellulaire (exocytose et cytosquelette d'actine)
• le déplacement des lysosomes par les queues de comète d'actine.

Fonctions des lysosomes