Fission membranaire
Fission membranaire des lysosomes
Tubulation et mécanisme de fission

La fission lysosomale peut provoquer la formation :

• 

  d'une vésicule détachée directement à partir du lysosome ou à partir de l'extrémité d'un tubule du lysosome,
• d'un tubule qui peut se séparer du lysosome,
• de deux lysosomes par fission équatoriale.

Ces processus font partie d'un continuum et dépendent de plusieurs processus :

• une fission précoce provoque la formation d'une vésicule,
• une fission tardive, celle d'un tubule (Resolution of macropinosomes, phagosomes and autolysosomes: Osmotically driven shrinkage enables tubulation and vesiculation 2018).

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. ce processus nécessite une fusion temporaire et une fission.

Tubulation
des lysosomes

La clathrine et les adaptines (AP) sont nécessaires à la formation des tubules des lysosomes et/ou des autolysosomes plutôt qu'à la formation de petites vésicules (Clathrin and phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate regulate autophagic lysosome reformation 2012 et Lipid droplet breakdown requires Dynamin 2 for vesiculation of autolysosomal tubules in hepatocytes 2013).

Vue d'ensemble

1. Les lysosomes produisent des tubules qui peuvent être sectionnés soit au niveau de leur cou, soit à leur extrémité distale.

• Ces tubules dits intermédiaires sont différents des tubules trouvés dans les macrophages ou les cellules dendritiques qui, eux, sont stables ( morphologie des lysosomes).
• Ces tubules sont semblables à ceux formés par le réseau Trans-golgi (TGN) ou les endosomes (Bidirectional traffic between the Golgi and the endosomes – machineries and regulation 2016).
• Cette formation est catalysée par les nexines (Emerging roles of PtdIns(4,5)P2 – beyond the plasma membrane 2015).

2. La formation des tubules nécessite trois étapes.

• a. La déformation membranaire nécessite une protéine de manteau, par exemple la clathrine, pour induire la courbure de la membrane et la naissance de l'extrémité du tubule naissant.
• b. La pointe du tubule s'allonge par extrusion membranaire du lysosome parent, nécessitant probablement des protéines motrices générant des forces et/ou des protéines qui maintiennent la courbure comme les nexines.
• c. Les tubules allongés subissent une fission pour former des transporteurs intermédiaires, nécessitant des machineries de scission et/ou de constriction comme les complexes de dynamine et d'actomyosine ( actomyosine et fission des lysosomes).

3. La tubulation intervient dans :

• la reformation des lysosomes,
• les cellules dendritiques exposées au lipopolysaccharide (LPS) ou à d'autres déclencheurs immuns grâce à Arl8b qui amarre la kinésine-1 aux lysosomes pour la présentation des antigènes (mTOR controls lysosome tubulation and antigen presentation in macrophages and dendritic cells 2016 et MHC Class II Presentation Is Controlled by the Lysosomal Small GTPase, Arl8b 2015 et Lysosome remodelling and adaptation during phagocyte activation 2018).

4. La tubulation des lysosomes survient en coordination avec les phosphoinositides membranaires ( endosomes et phosphoinositides membranaires).

• PI(3)P et PI(4,5)P2 ou PIP2 augmentent la tubulation des lysosomes dans la reformation autophagique des lysosomes (ALR).
• PI(4)P semble inhiber la tubulation des lysosomes, éventuellement en recrutant les protéines de scission pour promouvoir la vésiculation.
• PI(3,5)P2 est associé à la maturation des endosomes tardifs, au transport et à la fission lysosomale lors de la reformation phagocytaire des lysosomes (PLR).

Mécanisme de la fission lysosomale

PI(3,5)P2 et PIKfyve

PIKfyve, la phosphatidylinositol phosphates kinase PIPKIII (Fab1//PIKfyve), retrouvée sous forme de complexe (PAS), convertit PI(3)P en PI(3,5)P2 et pilote la fission lysosomale, outre son rôle dans la maturation des endosomes tardifs et le transport rétrograde (centripète) des endosomes tardifs/lysosomes.

1. L'inhibition de PIKfyve, et donc une faible concentration de PI(3,5)P2 (Phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate: Regulation of cellular events in space and time 2016 et A family of PIKFYVE inhibitors with therapeutic potential against autophagy-dependent cancer cells disrupt multiple events in lysosome homeostasis 2019) :

• provoque l'augmentation de volume des lysosomes avec une fission réduite, mais une fusion normale (Reactivation of Lysosomal Ca²⁺ Efflux Rescues Abnormal Lysosomal Storage in FIG4-Deficient Cells 2015),
• bloque la reformation des lysosomes terminaux, mais élargit les endo-lysosomes (PIKfyve activity regulates reformation of terminal storage lysosomes from endolysosomes 2017).
• augmente la durée du " kiss-and-run " des mélanosomes et des lysosomes (The PIKfyve complex regulates the early melanosome homeostasis required for physiological amyloid formation 2019).

2. Le rôle de PI(3,5)P2 et de PIKfyve n'est pas clair.

a. PI(3,5)P2 pourrait activer le canal calcique lysosomal TRPML1 pour augmenter les niveaux cytosoliques de calcium, comme pour le transport rétrograde (centripète) des lysosomes (The lysosomal Ca²⁺ release channel TRPML1 regulates lysosome size by activating calmodulinTRPML1 activates calmodulin to control lysosome fission 2017).

• 

  Son activation réduit la taille des lysosomes dans les cellules dans lesquelles PIKfyve a été inhibé.
• Le Ca⁺⁺ libéré pourrait stimuler la calmoduline (CaM) et l'activité de la dynamine-1, bien que les neurones Fab1 -/- présentent un taux réduit de dynamine-1 pour des raisons inconnues.

Par contre, la libération de Ca⁺⁺ par les canaux P2X4 favorise la fusion de lysosomes (Calcium release through P2X4 activates calmodulin to promote endolysosomal membrane fusion 2015).

Ce double rôle du Ca⁺⁺, fission et fusion, pourrait être subordonné aux gradients de pH des microdomaines de la membrane lysosomale.

• Une forte concentration en H⁺ favoriserait la fission via TRPML1.
• Une faible concentration en H⁺, par réduction de l'activité de la V-ATPase, favoriserait la fusion via P2X4.

b. PI(3,5)P2 pourrait également réguler la fission de lysosomes par la modulation des protéines de la famille des PROPPIN, i.e. ATG18, ATG21 et HSV2 dans la levure et WIPI-1 à WIPI-4 chez les mammifères ( autres composants du complexe PAS ?).

• ATG18 pourrait provoquer la fission en insérant une boucle désorganisée dans les membranes pour former une α-hélice amphipathique qui amène ATG18 près de PI(3,5)P2 pour favoriser l'oligomérisation d'ATG18 et la déformation de la membrane (Membrane scission driven by the PROPPIN Atg18 2017).
• ATG18 pourrait alors fonctionner avec des protéines dynamine-like comme Vps1 pour induire la fission.

MCS RE/lysosomes

1. Les sites de contact membranaire (MCS) réticulum endoplasmique/endosomes jouent un rôle essentiel :

• dans la fission membranaire ( MCS RE/endosomes et fission),
• dans la fusion membranaire ( MCS RE/endosomes et fusion).

a. Dans les endosomes, les sites de contact spécifiques sont formés par un réseau d'actine ramifiée ( fission membranaire avec le rétromère).

• La nucléation de l'actine ramifiée est initiée par le complexe WASH qui est lié à la surface des endosomes tardifs par des molécules de signalisation, dont PI(3)P.
• WASH active la protéine de nucléation Arp2/3.
• TMCC1 recrute la coronine 1 au MCS pour provoquer la fission et le recyclage du cargo vers l'appareil de Golgi (A Novel Class of ER Membrane Proteins Regulates ER-Associated Endosome Fission 2018).

b. On ne sait pas si des processus de fission similaires s'appliquent aux lysosomes, bien que, dans les marqueurs endosomaux utilisés, on trouve Rab7 associée aussi bien aux endosomes tardifs qu'aux lysosomes.

2. Des réseaux d'actomyosine sont impliqués dans la fission lysosomale sans être forcément liés aux MCS (Myosin VI and branched actin filaments mediate membrane constriction and fission of melanosomal tubule carriers 2018).

PI(3,5)P2 se lie à la cortactine, une protéine de stabilisation du réseau d'actine, pour concurrencer l'interaction actine/cortactine, i.e. libérer les filaments d'actine sur les endosomes, les mélanosomes et éventuellement les lysosomes (PI(3,5)P2 controls endosomal branched actin dynamics by regulating cortactin–actin interactions 2015).

• Cette libération de l'actine stable peut alors entraver la fission.
• Ce processus pourrait expliquer la séparation retardée entre les mélanosomes et les lysosomes dans le " kiss-and-run " (The PIKfyve complex regulates the early melanosome homeostasis required for physiological amyloid formation 2019).

3. En outre, BLOC-3 et Rab32/38 provoquent aussi la fission des tubules intermédiaires qui émergent des mélanosomes pour recycler les membranes et les protéines, telles que les protéines SNARE ( fission des tubules intermédiaires des mélanosomes).

• Cette fission fait intervenir BLOC-3, Rab32/38, l'optineurine, l'actine, WASH, Arp2/3, et la myosine VI.
• Les tubules des mélanosomes sont semblables à ceux des endosomes précoces, mais la suppression du complexe WASH dans les fibroblastes embryonnaires de la souris a augmenté la fréquence des structures tubulaires LAMP1, liée peut-être à un défaut de la fission du lysosome (Trafficking defects in WASH-knockout fibroblasts originate from collapsed endosomal and lysosomal networks 2012).

Retour au système endomembranaire