Autophagie
Macroautophagie
Formation de l'autophagosome
Initiation du phagophore
Omégasomes et complexe ULK/Atg1

La biogenèse des autophagosomes implique plusieurs processus :

• l'initiation du phagophore au niveau des omégasomes,
• sa nucléation,
• son élongation,

• 

  sa fermeture pour former un autophagosome.

Initiation du
phagophore

1. L’origine des membranes vésiculaires est encore en cours d'études.

a. Chez la levure, cet évènement se déroule au niveau d’un site particulier appelé structure pré-autophagosomale ou site d’assemblage du phagophore (PAS).

b. Chez les mammifères, l’initiation a lieu au niveau des omégasomes, sous-domaines du réticulum endoplasmique (RE) en forme d'Ω, d'où leur nom, riches en PI(3)P (Biogenesis of omegasomes and autophagosomes in mammalian autophagy 2024 et A subdomain of the endoplasmic reticulum forms a cradle for autophagosome formation 2009).

2. La formation des omégasomes se produit en 3 minutes et celle des autophagosomes en 10 minutes.

Composition du complexe ULK/Atg1

Le complexe ULK/Atg1 est l'un des premiers facteurs à cibler les structures membranaires au site de formation du phagophore, et son recrutement est indépendant :

• de protéines ATG (AuTophaGy-related)tg en aval,
• de PI(3)P, bien que ce dernier stabilse sa localisation.

Complexe ULK des mammifères

Le complexe ULK (Unc-51-like kinase 1) initie cette formation d’une membrane appelée phagophore ou " pré-autophagosome " (Emerging roles of ATG proteins and membrane lipids in autophagosome formation 2020 et Structural Basis of Autophagy Regulatory Protein 2019).

1. Le complexe ULK est constitutivement assemblé, indépendamment des conditions nutritionnelles, et est composé des protéines (Structure and Function of the ULK1 Complex in Autophagy 2017) :

• ULK1/2 (unc-51 like autophagy activating kinase 1/2), Atg1 de la levure,
• FIP200 (FAK Family Kinase-Interacting Protein 200 kDa) fonctionnellement semblable à Atg17 de la levure, bien que beaucoup plus longue, i.e. 1594 vs 417 (FIP200, a ULK-interacting protein, is required for autophagosome formation in mammalian cells 2008)
• ATG13 (ULK1·ATG13·FIP200 Complex Mediates mTOR Signaling and Is Essential for Autophagy 2009), Atg13 de la levure,
• ATG101 (Atg101, a novel mammalian autophagy protein interacting with Atg13 2009), qui n'est pas présent chez la levure, alors que Atg29 et Atg31 sont absents chez les mammifères.

2. Le complexe ULK s'attache à la membrane par (Dynamic association of the ULK1 complex with omegasomes during autophagy induction 2013) :

a. l'extrémité C-terminale de ULK1 (Kinase-Inactivated ULK Proteins Inhibit Autophagy via Their Conserved C-Terminal Domains Using an Atg13-Independent Mechanism 2008),

• Cette région se lie aux liposomes avec une préférence pour les petites vésicules très incurvées, i.e. elle sert de capteur de courbure de la membrane.
• Toutefois, il semble que le domaine EAT d'ATG1 doit interagir avec ATG13 pour cette liaison.

Cependant, le domaine EAT aurait une fonction essentielle dans l'élongation du phagophore, qui est distincte de son rôle dépendant d’Atg13 dans l’initiation de l’autophagie (The dynamic Atg13-free conformation of the Atg1 EAT domain is required for phagophore expansion 2018).

b. l'extrémité N-terminale d'ATG13 qui contient des résidus arginine/lysine pouvant se lier aux phosphates d'acide phosphatidique et aux phosphoinositides (PIP).

3. Le recrutement en phase tardive du complexe ULK/Atg1 pendant la formation d'autophagosome nécessite des protéines ATG8/LC3/GABARAP.

• Les composants complexes ULK/Atg1 ont une région LIR/AIM (LC3/GABARAP/ATG8-interacting) qui se lie aux protéines de la famille ATG8 (ATG8 Family Proteins Act as Scaffolds for Assembly of the ULK Complex 2012).
• Ces interactions ont été proposées pour être impliquées dans la maturation des autophagosomes et/ou une rétroaction négative en dégradant le complexe ULK/Atg1 via l'autophagie.

Complexe Atg1 de la levure

1. Le complexe Atg1 de la levure est le pendant du complexe ULK

Il comprend Atg13, Atg17, Atg29 et Atg31 (Architecture of the Atg17 Complex as a Scaffold for Autophagosome Biogenesis 2013).

Atg17 intervient dans l'autophagie en vrac, i.e. bulk macroautophagy, tandis qu'Atg11, qui a un rôle similaire et qui peut être considérée comme une autre sous-unité du complexe, est impliquée dans l'autophagie sélective ( autophagie sélective chez la levure).

Remarque : la formation du PAS chez la levure dépendrait de la formation de condensats par séparation de phase liquide-liquide (LLPS) du complexe Atg1 qui favorise l’autophosphorylation d’Atg1, et donc son activation (Liquid–liquid phase separation in autophagy 2020).

2. Atg1 activé a la capacité de dissocier le PAS en phosphorylant Atg13.

La perte de l’activité kinase d’Atg1 conduit à une augmentation du PAS, avec une accumulation aberrante de certaines protéines ATG, qui ne peuvent pas intervenir dans la formation d’autophagosomes (The Atg1 Kinase Complex Is Involved in the Regulation of Protein Recruitment to Initiate Sequestering Vesicle Formation for Nonspecific Autophagy in Saccharomyces cerevisiae 2008).

a. Atg13 est déphosphorylée par les phosphatases, ce qui est suffisant pour lier Atg17 et provoque la séparation de phase du complexe Atg1.

b. L’équilibre entre la phosphorylation d’Atg13 par Atg1 et la déphosphorylation par les phosphatases peut être important pour le maintien du PAS de type liquide, qui recrute dynamiquement les protéines ATG au fur et à mesure que l’autophagie progresse.

Ensuite, les facteurs en aval qui comprennent les vésicules Atg9, le complexe phosphatidylinositol 3-kinase spécifique de l’autophagie (PI3K), le complexe Atg2-Atg18 et les systèmes de conjugaison Atg12 et Atg8 sont recrutés dans le condensat pour former le PAS, qui active la kinase Atg1 et initie la formation des autophagosomes.

3. Dans des conditions riches en nutriments, Ape1, l’aminopeptidase vacuolaire, est délivrée à la vacuole par autophagie sélective, dans un processus connu sous le nom de Cvt (Cytoplasm-to-vacuole targeting).

La voie de ciblage cytoplasmique vers la vacuole (Cvt) est un type d'autophagie sélective chez Saccharomyces cerevisiae, qui transporte de manière constitutive et sélective les hydrolases vacuolaires vers les vacuoles par autophagie (Structural Biology of the Cvt Pathway 2017).

a. Ape1 forme un condensat de type gel, i.e. séparation de phase liquide-liquide (LLPS) pour former des gouttelettes semi-liquides, qui est le substrat de la voie Cvt (Liquidity Is a Critical Determinant for Selective Autophagy of Protein Condensates 2020).

b. La " flottabilité " d'Atg19, protéine réceptrice spécifique d’Ape1, empêche sa pénétration dans les gouttelettes et se localise à la surface des gouttelettes d’Ape1.

• Atg19 régule la taille du complexe Ape1 et cible plusieurs cargos.
• Atg19, Atg11 et Atg8-PE lipidé sont nécessaires et suffisants pour la séquestration sélective des gouttelettes d’Ape1 par les membranes et pour former la vésicule Cvt.

c. Cette séquestration est altérée par la solidification mutationnelle des gouttelettes d’Ape1 ou la diminution de la capacité de flottaison d’Atg19

4. Une petite population d’Atg1 est recrutée dans les condensats d’Ape1 via Atg19 et Atg11 et est activée localement par autophosphorylation, ce qui est important pour la progression de la voie Cvt (Receptor-bound targets of selective autophagy use a scaffold protein to activate the Atg1 kinase 2015).

Translocation et activation du complexe ULK/Atg1