Fusion et fission membranaires
Modèle kiss-and-run (KAR)
Nouvelle définition et mécanisme

Définition ancienne versus récente

Une fois qu'une vésicule a ouvert un pore de fusion pour libérer le contenu vésiculaire, la vésicule peut :

• 

  fermer son pore de fusion, appelée kiss-and-run, pour recycler les vésicules fusionnées sur le plan économique et rapide,
• fusionner avec la membrane plasmique via la dilatation des pores de fusion, i.e. effondrement complet (full collapse fusion),
• rétrécir, i.e. shrink fusion, observée jusqu'à ~ 60 nm, suggérant que les vésicules synaptiques de 30 à 80 nm pourraient la subir (Vesicle Shrinking and Enlargement Play Opposing Roles in the Release of Exocytotic Contents 2020).

L'imagerie et la modélisation ont montré qu'au stade final du rétrécissement, le profil Ω est converti en profil Λ.

Arguments pour

Lors du recyclage et du kiss-and-run, les SV fusionnent transitoirement avec la membrane présynaptique, permettant une décharge partielle des neurotransmetteurs à travers le pore de fusion avant la récupération du SV par fermeture des pores.

1. Un certain nombre de preuves à l'appui de l'existence de kiss-and-run ont été avancées, comme entre autres :

• les oscillations de capacité électrique qui correspondent à une ouverture et une fermeture rapides des pores de fusion d'un diamètre > 2,3 nm (Two modes of fusion pore opening revealed by cell-attached recordings at a synapse 2006),

L'ajout de membrane par exocytose entraînera une capacité accrue, alors que la réduction de la membrane par endocytose entraînera une diminution de la capacité.

• la rétention de boîtes quantiques (quantum dots) de 15 nm pendant les cycles de neurotransmission (The Dynamic Control of Kiss-And-Run and Vesicular Reuse Probed with Single Nanoparticles 2009).

La dynamique d'ouverture des pores de fusion et la taille des profils Ω montrent sept modes différents qui reflètent la taille des profils Ω et le statut du pore de fusion ( les sept modes).

2. Le kiss-and-run est traditionnellement défini comme " la fermeture de pores étroits (<~5 nm) pour limiter la libération de contenu de vésicules identiques à celles d'origine " (Exocytosis and Endocytosis: Modes, Functions, and Coupling Mechanisms 2014).

3. Les variations du diamètre des pores de fusion, plutôt que le kiss-and-run et l'effondrement complet, permettent une régulation pour promouvoir et limiter la libération de contenu, par les grands et les petits pores respectivement.

a. Cette redéfinition pourrait expliquer :

• les variations des mesures des courants ampérométriques à médiation catécholaminergique,
• l'estimation des fractions libérées par vésicule (Electrochemical Quantification of Neurotransmitters in Single Live Cell Vesicles Shows Exocytosis is Predominantly Partial 2020).
• l'évaluation de la dopamine vésiculaire (Visualization of Partial Exocytotic Content Release and Chemical Transport into Nanovesicles in Cells 2022).

b. La régulation de la fusion par rétrécissement et élargissement pourrait expliquer comment les modulateurs régulent la libération de contenu comme, par exemple :

• la synaptotagmine (Synaptotagmin isoforms confer distinct activation kinetics and dynamics to chromaffin cell granules 2017 et The high-affinity calcium sensor synaptotagmin-7 serves multiple roles in regulated exocytosis 2018),
• la chromogranine (Chromogranin A, the major lumenal protein in chromaffin granules, controls fusion pore expansion 2019).

Arguments contre

1. Cependant, aucun mécanisme n'a été montré concernant le kiss-and-run au niveau des synapses, mais des suggestions ont été faites qui incluent (Synaptic Vesicle Endocytosis 2012) :

• une organisation particulière de la zone active (ZA) pour permettre un nombre limité de fusion par effondrement complet (full-collapse fusion),
• l'existence possible d'un anneau au niveau du cou pour limiter la fusion par effondrement complet.

2. Un certain nombre d'études fournissent des preuves contre la présence de kiss-and-run, comme entre autres :

a. une stimulation prolongée des neurones hippocampiques en culture à 10 Hz, i.e. une condition qui n'épuise pas le pool de recyclage des SV, conduit à une sortie de FM4-64, suggérant des événements de fusion complète (The Kinetics of Synaptic Vesicle Pool Depletion at CNS Synaptic Terminals 2004).

FM1-43 et sa version décalée vers le rouge, FM4-64, sont des colorants lipophiles qui s'intercalent dans la membrane plasmique et sont utilisés pour marquer les vésicules synaptiques de recyclage.

b. De plus, il a été constaté que les protéines SV exocytées ne sont pas toujours les mêmes que celles qui sont ensuite endocytées (Synaptic Vesicles Interchange Their Membrane Proteins with a Large Surface Reservoir during Recycling 2006 et Vesicular proteins exocytosed and subsequently retrieved by compensatory endocytosis are nonidentical 2006).

Cela implique que les SV subissent une fusion complète avant qu'une nouvelle SV soit reformée par endocytose compensatoire, arguant contre l'existence du kiss-and-run.

Mécanisme du kiss-and-run

Dans les cellules neuronales

1. La dynamique des pores de fusion a montré que la fusion peut revêtir plusieurs modes.

a. La présence de profils Ω préformés au niveau membranaire intervient dans de nombreux modes d'endocytose (transitions du profil de la vésicule d'endocytose).

En conséquence, l'évolution sera plus rapide et moins couteuse vers le profil O par rapport à la transition Plat ➞ Λ ➞ Ω ➞ Ο.

b. En outre, il est clair que la fusion serrée ou rétrécie, i.e. shrink-fusion, ouvre un pore étroit qui pourrait donc se refermer rapidement (transitions du profil de la vésicule d'endocytose).

2. Les mécanismes qui pourraient empêcher l'effondrement complet, i.e. full-collapse fusion, peuvent inclure plusieurs processus (Synaptic Vesicle Endocytosis 2012).

a. La fusion incomplète des deux bicouches, avec des oscillations du pore de fusion, pourrait permettre aux petites molécules de neurotransmetteur de s'échapper.

• Elle nécessiterait un complexe partiel trans-SNARE comprenant la synaptobrévine 2/VAMP2, la syntaxine-1 et SNAP-25, qui forme un pore transitoire entre la membrane plasmatique et la vésicule sécrétoire sous la dépendance du Ca⁺⁺ et de ses régulateurs, les synaptotagmines.
• Ce mécanisme utiliserait des rim-pores, i.e. pore de bord en français, asymétriques ( asymétrie des pores de fusion).

b. La présence du collier d'actomyosine au site de fusion empêcherait l'élargissement du pore de fusion ( mécanismes de la dynamique des pores).

c. La structure rigide de la membrane plasmique de la zone active (ZA) ne pourrait pas s'adapter à un aplatissement de la membrane " supplémentaire " ajoutée par l'exocytose.

Ce dernier mécanisme pourrait plutôt expliquer l'endocytose ultrarapide (UFE), via le modèle par compression.

Dans les cellules non neuronales

Le Ca⁺⁺ pourrait assister le kiss-and-run lors de la fusion et la fission des lysosomes ( rôles du calcium dans la fission et la fusion).

1. En outre, des protéines qui ont des rôles contradictoires dans la fusion et la fission des lysosomes, comme Lyst1 (LYSososmal-Trafficking regulator), pourraient former des échafaudages qui permettent une fusion partielle et coordonner la fission.

On pourrait imaginer un échafaudage d'un complexe semblable au porosome et Lyst1, une structure en coupe qui serait intégrée dans la membrane plasmatique et dans laquelle une vésicule exocytaire s'amarrerait pour former un tunnel à travers lequel s'écoulerait le contenu.

Remarque : les porosomes sont des structures lipoprotéiques supramoléculaires en forme de coupe au niveau de la membrane plasmique cellulaire des cellules sécrétoires, dont la taille varie de 15 nm dans les neurones et les astrocytes à 100–180 nm dans les cellules endocrines et exocrines (‘Porosome’ discovered nearly 20 years ago provides molecular insights into the kiss-and-run mechanism of cell secretion 2015 et Secretory Portal - Porosome in Pancreatic Acinar Cells 2021).

Les porosomes neuronaux sont composés de près de 40 protéines, à comparer aux complexes des pores nucléaires composés d'environ 500 molécules.

3. Ce mécanisme est, entre autres, utilisé dans la libération des hydrolases du lysosome :

• 

  vers l'endo-lysosome dont le contenu est modifié, alors que le lysosome reste intact (Endocytic Delivery to Lysosomes Mediated by Concurrent Fusion and Kissing Events in Living Cells 2005 et Endolysosomes are the principal intracellular sites of acid hydrolase activity 2016),
• vers les phagosomes et les autolysosomes,
• vers les mélanosomes pour la maturation de leur cargaison en (The PIKfyve complex regulates the early melanosome homeostasis required for physiological amyloid formation 2019).

Fusion membranaire