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Fusion membranaire : mécanisme
Rapprochement des membranes (1)
Protéines associées aux SNARE et encombrement stérique

Sommaire
définition

Le rapprochement des membranes dans la fusion membranaire est lié aux protéines SNARE, mais aussi aux Rab, aux protéines d'arrimage (tethering) et aux protéines SM.

La fusion membranaire est une série d'événements, dont certains très énergétiques, qui nécessite (SNARE complex assembly and disassembly 2018) :

bien

La fusion des vésicules nécessite une machinerie de fusion conservée par l'évolution et composée par plusieurs protéines (loupe machinerie de fusion).

Rab, protéines d'arrimage et protéines SM

Vue d'ensemble

1. L'activation médiée par la GEF d'une petite GTPase Rab localise des protéines d'arrimage (tethering protein) sur les membranes qui peuvent être :

bien

Les protéines d'arrimage (tethering protein) sont étudiées dans un chapitre spécial.

2. Le complexe d'arrimage reconnait l'autre membrane via un deuxième site de liaison, éventuellement à une autre Rab, et attachent les deux membranes.

Arrimage à la membrane et assemblage des SNARE par le complexe HOPS
Arrimage à la membrane et assemblage des SNARE par le complexe HOPS
(Figure : vetopsy.fr d'après Baker et Hugson)

3. Ce complexe possède plusieurs sites de liaison SNARE et favorisent l'assemblage local des protéines SNARE en faisceaux à quatre hélices, en stabilisant leurs conformations ouvertes et en chaperonnant l'assemblage via les protéines Sec1/Munc18-like (SM) associées.

bien

Les complexes d'arrimage relient la machinerie de régulation Rab à la machinerie de fusion SNARE, mais les interactions sont difficiles à étudier car elles évoluent pendant le déroulement de la fusion membranaire (louperôle des complexes d'attache multi-sous-unités dans l'assemblage SNARE).

Encombrement stérique

1. L'interaction des complexes SNARE avec les protéines Sec1/Munc18-like (SM), les protéines d'arrimage (tethering protein), et les petites GTPases Rab, ainsi que Munc13 et les synaptotagmines influencent fortement :

  • Taille des protéines de fusion
    Taille des protéines de fusion
    (Figure : vetopsy.fr d'après Risselada et Mayer)
    l'accessibilité des SNARE aux membranes qui les entourent,
  • leur orientation et leur conformation,
  • la topologie des membranes qui les entourent,
  • les changements conformationnels et les forces qu'il peut imposer sur les deux membranes à fusionner.

Les SNARE sont relativement petites, i.e. inférieures à 100 kDa assemblées, alors que les protéines associées sont volumineuses, comme les SM (100 kDa) ou les MTC (0,25–1 MDa).

2. L'étape principale de la fusion membranaire doit être précédée d'une approche des membranes opposées en dessous d'une distance critique d'env. 1 nm, quelle que soit la composition de la membrane ou la contrainte stérique imposée (Vesicle Adhesion and Fusion Studied by Small-Angle X-Ray Scattering 2018).

a. Or, les complexes protéiques volumineux liés aux SNARE modifient la distance et la courbure des membranes au site de fusion et avoir ainsi un impact significatif sur le paysage énergétique de la formation des pores de fusion et de leur expansion.

Complexe de fusion membranaire
Complexe de fusion membranaire
(Figure : vetopsy.fr d'après Grubmüller et coll)

2. Les complexes d'attache interagissent avec les membranes par le biais d'interactions protéine-protéine et par une affinité directe pour les lipides membranaires.

a. Bien que ces interactions puissent maintenir les membranes à proximité les unes des autres, il n'y a aucune preuve que les protéines d'attache déforment activement les membranes au niveau d'un site de fusion.

b. Par contre, les SNARE courbent les membranes pour apposer les deux membranes.

Étapes de la fusion
Étapes de la fusion
(Figure : vetopsy.fr d'après Sharma et coll)

Les petites GTPases Rab, les protéines d'arrimage (tethering protein) et les protéines Sec1/Munc18-like (SM), pourraient favoriser la formation du complexe SNARE par plusieurs processus qui peuvent se chevaucher :

a. Elles garderaient les membranes à distance pour permettre la fermeture à glissière du complexe SNARE .

b. Elles augmenteraient la concentration locale de SNARE à la zone d'arrimage.

c. Elles catalyseraient activement l'assemblage SNARE  :

Formation du complexe matriciel Munc18/syntaxine/VAMP
Formation du complexe matriciel Munc18/syntaxine/VAMP
(Figure : vetopsy.fr d'après Xu et coll)

4. Le rapprochement des membranes seraient donc l'oeuvre :

Modèle de liaison de la vésicule synaptiqueà la membrane présynaptique
Modèle de liaison de la vésicule synaptique à la membrane présynaptique
(Figure : vetopsy.fr d'après Lin et coll)

5. L'interaction des complexes SNARE avec les protéines SM, les MTC et les protéines Rab influencent fortement l'accessibilité des SNARE, l'orientation et la conformation des complexes SNARE, et la topologie des membranes qui les entourent.

bien

Les protéines associées à SNARE auront un impact majeur sur la forme et les dimensions de l'holo-complexe, et sur les changements conformationnels et les forces qu'il peut imposer sur les deux membranes à fusionner (loupe encombrement stérique et complexe SNARE).

Complexes trans-SNARE

Formation du complexe trans-SNARE

1. L'interaction des protéines SNARE, les protéines v-SNARE (v pour vésiculaire) et les protéines t-SNARE (t pour target, cible), localisées sur des membranes séparées, forment un assemblage progressif en forme de fermeture éclair des quatre domaines SNARE, en général un de chaque sous-famille (Qa/Qb/Qc et R), formant le complexe trans-SNARE.

bien

Le complexe trans-SNARE et sa formation sont étudiés dans des chapitres spéciaux.

2. Les protéines SNARE, par leur liens et leurs domaine transmembranaire (TMD) exercent une force sur les membranes et les déforment.

Complexe trans-SNARE et encombrement stérique

1. La déformation des membranes par les protéines SNARE a un coût énergétique.

Pores de vertex
Pores de vertex
(Figure : vetopsy.fr d'après D'agostino et Brandt)

a. Pour réduire ce coût, les complexes SNARE peuvent s'accumuler au bord incurvé de la zone de contact membranaire (loupe pore de vertex).

b. L'association des complexes SNARE à des protéines volumineuses entraîne encore plus efficacement les complexes SNARE vers le bord de la zone de contact, dans laquelle le volume peut le plus facilement s'adapter.

2. La fusion membranaire impose des interactions stériques qui organisent spontanément les complexes SNARE en groupes circulaires (Symmetrical organization of proteins under docked synaptic vesicles 2019 et Synaptotagmin oligomerization is essential for calcium control of regulated exocytosis 2020).

Ces forces sont appelées forces entropiques, sous-entendent les forces liées à l'encombrement moléculaire (Entropic forces drive self-organization and membrane fusion by SNARE proteins 2017).

Dilatation des anneaux et rapprochement des membranes
Dilatation des anneaux et rapprochement des membranes
(Figure : vetopsy.fr d'après Mostafavi et coll)

Ces interactions augmentent la distance entre les groupes et forcent les membranes à entrer en contact (loupe courbure membranaire et crowding).

  • Plus les complexes SNARE sont nombreux, i.e. par exemple, 70 v-SNARE sont disponibles par vésicule synaptique, plus les forces entropiques sont importantes, i.e. les forces entropiques sous-entendent les forces liées à l'encombrement moléculaire.
  • Ce mécanisme est valable aussi pour les complexes SNARE/HOPS, qui confinent les complexes SNARE associés à la région du vertex, i.e. augmentent efficacement leur concentration en étendant la zone de contact.

Formation de la tige de fusion