Fusion membranaire
Fusion des endosomes et des lysosomes

Fusion des endosomes

1. La fusion des vésicules endocytées avec des endosomes précoces, appelés pré-EE, VEE (Very Early Endosomes), endosomes initiaux ou parfois, vésicules entrantes nécessite APPL1 ( endosomes initiaux et APPL1).

2. La fusion des endosomes précoces entre eux nécessitent  :

• la protéine d’arrimage EEA1,
• les protéines SNARE. f

Le complexe SNARE endocytaire est formé de Q-SNARE (t-SNARE), i.e. Qa-SNARE ou syntaxine 7 (STX7), Qb-SNARE ou Vti1b, Qc-SNARE ou syntaxine 8 (STX8), et de R-SNARE (v-SNARE), i.e. VAMP7.

3. La maturation des endosomes et la fusion des endosomes tardifs nécessitent :

• des lipides spécifiques, en particulier PI(3,5)P2 et LBPA/BMP ( phospholipides et endosomes),
• la petite GTPase Rab7 (Ypt7 de la levure),
• le complexe HOPS,
• les protéines SNARE ( cf. plus bas).

Fusion des lysosomes

Vue d'ensemble

1. Les lysosomes peuvent fusionner :

• avec d'autres lysosomes (fusion homotypique),
• avec d'autres organites (fusion hétérotypique).

2. Les lysosomes peuvent entrer de manière transitoire en contact par leur membrane plasmique avec d'autres organites, i.e. par un petit pore de fusion qui permet l'échange de molécules (kiss), et se séparent (run) rapidement modèle " kiss-and-run "), i.e. processus qui nécessite une fusion temporaire et une fission.

Remarque : la libération de Ca⁺⁺ par les canaux P2X4 favoriserait la fusion de lysosomes (Calcium release through P2X4 activates calmodulin to promote endolysosomal membrane fusion 2015).

Protéines d'arrimage

La fusion des lysosomes avec les différents compartiments nécessite des complexes d'arrimage à multi-sous-unités (MTC ou Multisubunit Tethering Complexes).

1. Le complexe HOPS intervient dans la fusion avec les endosomes tardifs et les autophagosomes.

• HOPS se lie à Atg8/LC3 et STX17 sur les autophagosomes et Rab7/GTP sur les lysosomes.
• La localisation de Rab7 sur les autophagosomes, par échange avec Rab5, est facilitée par le complexe Mon1-Ccz1 se liant à LC3 ( passage de Rab5 à Rab7).

2. La fusion lysosomes/autophagosomes utilise d'autres protéines d'attache que HOPS.

a. EPG5 (Ectopic P-Granules autophagy protein 5) est ciblé sur les autophagosomes en se liant à ATG8/LC3 et les lysosomes en se liant à Rab7/GTP.

Dans les cellules neurales, WDR45 et WDR45B facilitent la localisation lysosomale d'EPG5. La mutation de ce gène provoque le syndrome de Vici.

b. Le domaine TECPR des TECPR1 (TECtonin beta-Propeller Repeat containing1) interagit avec LC3C et ATG5/ATG12 sur les autophagosomes et le PI(4)P sur les lysosomes (A Mammalian Autophagosome Maturation Mechanism Mediated by TECPR1 and the Atg12-Atg5 Conjugate 2012).

• Un article récent montre que TECPR1 interagit sélectivement avec LC3C (TECPR1 promotes aggrephagy by direct recruitment of LC3C autophagosomes to lysosomes 2020).
• TECPR2 semble interagir de la même façon (Lysosomal targeting of autophagosomes by the TECPR domain of TECPR2 2021).

c. PLEKHM1 se lie à GABARAP sur les autophagosomes et Rab7/GTP sur les lysosomes.

Mécanisme de fusion lysosomale

Au cours de la fusion membranaire, les protéines v-SNARE et t-SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment protein REceptor) sur des membranes séparées se combinent pour former un complexe trans-SNARE (SNAREpin).

1. Le complexe trans-SNARE pour la fusion hétérotypique d'endosomes tardifs avec des lysosomes comprend (Endosome–lysosome fusion 2010) :

• les v-SNARE(v pour vésiculaire) ou le plus souvent R-SNARE (R pour arginine), i.e. VAMP7 (Vesicle-Associated Membrane Protein 7),
• la t-SNARE (t pour target, cible) ou Q-SNARE (Q pour glutamine), i.e. Qa-SNARE, ici la syntaxine 7 (STX7), Qb-SNARE, ici Vti1b, Qc-SNARE, ici la syntaxine 8 (STX8).

VAMP8 est requis pour la fusion homotypique des endosomes tardifs.

2. VAMP7 serait également requis pour la fusion des lysosomes :

• avec la membrane plasmique, i.e. accompagné par la syntaxine 4 (Stx4) et SNAP-23 (Lipoprotein Receptor Binding, Cellular Uptake, and Lysosomal Delivery of Fusions between the Receptor-associated Protein (RAP) and α-l-Iduronidase or Acid α-Glucosidase 2004),
• avec les phagosomes (TI-VAMP/VAMP7 is required for optimalphagocytosis of opsonised particlesin macrophages 2004).

3. La fusion avec les autophagosomes nécessite deux complexes différents ( fusion autophagosome/endo-lysosome).

Le premier comprend :

• la v-SNARE endo-lysosomale VAMP8 (mammifères) et VAMP7 (levure),
• les t-SNARE autophagosomales, i.e. la Qa-SNARE, ici la syntaxine 17 (STX17), la Qb/c-SNARE, ici SNAP-29.

La protéine d'autophagie associée à l'autophagosome ATG14 interagit avec STX17 pour favoriser l'assemblage du sous-complexe STX17/SNAP29.

Le deuxième est formé par :

• la v-SNARE autophagosomale, YKT6
• les t-SNARE endo-lysosomales, i.e. Qa-SNARE, ici la syntaxine 1 (STX7), la Qb/c-SNARE, ici SNAP-29.

3. Par contre, il faut être prudent quant à l'importance de VAMP7 pour la fusion des lysosomes.

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  Chez les souris VAMP7-KO, on note l'absence de défauts de développement évidents ou de phénotype lysosomal (he Role of VAMP7/TI-VAMP in Cell Polarity and Lysosomal Exocytosis in vivo 2011 et Absence of TI-VAMP/Vamp7 Leads to Increased Anxiety in Mice 201),
• Dans les cellules en culture, l'inactivation de VAMP7 est incapable de bloquer la livraison endocytaire aux lysosomes (hVps41 and VAMP7 function in direct TGN to late endosome transport of lysosomal membrane proteins 2013).

4. La libération de Ca⁺⁺ par les canaux P2X4 favorise la fusion de lysosomes alors que celle par TRPML1 favorise la fission ( calcium et fusion/fission lysosomale).

Fission membranaire : endosomes et lysosomes