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Mécanique moléculaire sous-jacente à plat

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Mécanique moléculaire sous-jacente à plat

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3697 (2022) Citer cet article 1979 Accès 3 Citations Détails des métriques Le bourgeonnement de la membrane implique des forces pour transformer la membrane plate en vésicules

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3697 (2022) Citer cet article

1979 Accès

3 citations

Détails des métriques

Le bourgeonnement membranaire implique des forces pour transformer la membrane plate en vésicules essentielles à la survie cellulaire. De nombreuses études ont identifié les protéines de l'enveloppe (par exemple, la clathrine) comme facteurs potentiels de bourgeonnement. Cependant, les forces à l’origine de nombreux bourgeonnements de membranes non recouvertes restent floues. En visualisant les protéines impliquées dans la médiation du bourgeonnement endocytaire dans des cellules neuroendocrines vivantes, en effectuant une reconstitution protéique et une modélisation physique in vitro, nous avons découvert comment le bourgeonnement de la membrane non enduite est médié : les filaments d'actine et la dynamine génèrent une force de traction transformant la membrane plate en forme Λ ; par la suite, des hélices de dynamine entourent et resserrent la base du profil Λ, transformant Λ en profil Ω, puis resserrent les pores du profil Ω, convertissant les profils Ω en vésicules. Ces mécanismes contrôlent la vitesse de bourgeonnement, la taille et le nombre de vésicules, générant divers modes endocytaires différant par ces paramètres. Leur impact est étendu au-delà des cellules sécrétoires, car les fonctions étonnamment puissantes de la dynamine et de l'actine, auparavant considérées comme médiatrices de la fission et surmontant les tensions, respectivement, peuvent contribuer à de nombreux bourgeonnements de membranes non enrobées dépendants de la dynamine/actine, des bourgeons de membranes enrobées, et d'autres processus de remodelage membranaire.

Le bourgeonnement membranaire implique des forces moléculaires pour transformer la membrane plate en vésicules ovales/rondes, qui interviennent dans de nombreux processus fondamentaux, tels que l'endocytose, le trafic intracellulaire et l'infection virale1. Des décennies d'études suggèrent que la force bourgeonnante pourrait provenir en partie de structures en forme de cage d'environ 40 à 120 nm recouvrant la vésicule bourgeonnante et formées par multimérisation de la clathrine, COPII ou COPI1,2,3. Cependant, de nombreux processus de bourgeonnement ne sont pas associés à ces protéines centrales de l’enveloppe et ne dépendent donc pas de celles-ci. Ces processus de bourgeonnement à membrane non recouverte interviennent dans de nombreux processus biologiques, tels que le bourgeonnement d'exosomes pour les communications cellulaires, le bourgeonnement de virus pour une infection virale (par exemple, le virus de la grippe et du VIH), la génération de granules chargés d'hormones/transmetteurs beaucoup plus gros que les vésicules enrobées, et bourgeonnement de vésicule pour une endocytose indépendante de la clathrine1,4,5. Le bourgeonnement des vésicules pour l'endocytose indépendante de la clathrine médie l'absorption cellulaire de nombreux ligands extracellulaires, récepteurs, virus (par exemple, virus Ebola, VIH, Lassa, herpès, dengue et SV40), bactéries, prions et toxines bactériennes (par exemple, toxines du choléra et de Shiga). )5,6,7. Dans le système nerveux et endocrinien, le bourgeonnement des vésicules indépendant de la clathrine maintient l'exocytose et la transmission synaptique en assurant la médiation de la plupart des formes d'endocytose, y compris l'endocytose ultrarapide (<~ 0,1 s), l'endocytose rapide (<~ 3 s), l'endocytose massive de vésicules de type endosome. , et même une endocytose lente (~ 10 à 60 s) précédemment supposée dépendante de la clathrine 8,9,10,11,12,13. En bref, le bourgeonnement à membrane non recouverte joue des rôles physiologiques et pathologiques cruciaux.

Quel type de forces physiques interviennent dans la formation de vésicules non recouvertes ? De nombreuses études suggèrent que l'actine filamenteuse du cytosquelette (F-actine) est impliquée5,6,7. Par exemple, l'inhibition de la polymérisation de l'actine altère plusieurs formes d'endocytose indépendante de la clathrine, telles que l'endocytose ultrarapide10,14 et l'endocytose rapide médiée par l'endophiline15 (pour une revue, voir les références 5,6,7). La suppression de l'isoforme β ou γ de l'actine ou l'application de latrunculine A qui inhibe la polymérisation de la F-actine réduit le nombre de puits au cours de l'endocytose des vésicules synaptiques considérée comme indépendante de la clathrine 11,14,16,17. Ces résultats suggèrent une implication de l'actine dans la formation de puits non recouverts de clathrine5,6,7. Cependant, la manière dont la F-actine contribue à la génération des forces physiques à l’origine du bourgeonnement des vésicules non recouvertes reste floue.

L'étude du bourgeonnement des membranes non recouvertes est entravée par la difficulté de reconnaître la structure intermédiaire dans la transformation plate-circulaire, ce qui peut impliquer les exigences potentielles en matière de force. Bien que la microscopie électronique (EM) soit de loin la seule technique permettant d'observer de minuscules structures, sans protéines d'enveloppe centrale qui génèrent une enveloppe protéique dense reconnaissable par EM, il est difficile de dire si une configuration de membrane incurvée est une structure intermédiaire de bourgeonnement, de fusion. , le pliage de la membrane, le mouvement de la membrane ou un processus de mise en forme inconnu. En fait, même pour le bourgeonnement à membrane enduite, la dynamique de la membrane plate à ronde reste essentiellement floue malgré de nombreuses spéculations basées sur l'EM d'échantillons fixes qui ne fournissent pas d'informations sur les processus potentiellement rapides et réversibles . On ne sait toujours pas si, et dans quelle mesure, les protéines centrales et les protéines hors enveloppe contribuent au bourgeonnement de la membrane enduite2,3. Ainsi, la difficulté d’observer en temps réel le processus de bourgeonnement est devenue un goulot d’étranglement qui nous empêche de comprendre à la fois le bourgeonnement à membrane non enduite et à membrane enduite.

1 μm, but beyond image frame to measure. As hPH increased, the highest position of lifeact-mTFP1-labeled F-actin associated with Λ (hlifeact) increased in parallel (Fig. 1f–i). F-actin fluorescence also increased at Λ’s side and base (Fig. 1g–i). These results suggest that F-actin filament is recruited to attach at Λ, including at Λ’s tip to pull membrane inward, hence, resulting in a growing Λ and membrane protrusion from Λ’s tip./p>~60 nm, our STED resolution) sometimes continued to constrict its pore until it became a non-visible pore (Ωnp, <~60 nm, Fig. 4a)18. Although Ωnp’s pore was not visible, it remained open because it was permeable to A532 (see below for differentiating Ωnp from O)18./p>~60 nm) or Ωnp (pore size <~60 nm), Ω→O referred to either Ωp→O (pore size: 120–375 nm; mean = 212 ± 30 nm, 8 Ωp; Fig. 6a) or Ωnp→O (121 Ωnp; Fig. 6b)18. Ωp’s pore constriction was sometimes incomplete, resulting in Ωp→Ωnp (Fig. 6c)./p>200 nm were taken as Λ; otherwise, it was defined as Flat. The Ω-shape profile with a visible pore (Ωp) was defined as the PHG-labeled Ω-shape membrane profile with a visible pore (>60 nm, the STED detection limit), which should be less than the Ω-profile width. If a PHG-labeled Ω-profile with a non-visible pore contained A532 spot, it was defined as Ωnp (an Ω-profile with a non-visible pore), because the A532 spot indicated an open-pore permeable to A53225./p>300 pA than with ICa <300 pA (Fig. 4g in ref. 18). Furthermore, NFlat→Λ, Prob(Λ)→Ω and Prob(Ω)→Ο measured after depol1s were substantially reduced when extracellular calcium was replaced with strontium (Fig. 4h in ref. 18). These results indicate that Flat→Λ, Λ→Ω and Ω→O are triggered by calcium influx, excluding the possibility that they are STED-laser-induced artifacts./p>15 nm, a base of 20–120 nm, and a height/base ratio >0.15. Λ and Ω were distinguished base on their shapes. If the pit’s width was the largest at the base, it was Λ-shape; if the pit’s width was the largest at the middle of its vertical length, it was a Ω-shape. Means were presented as ± s.e.m. The statistical test was two-tailed unpaired t-test. Each culture was from 3–6 mice. Each group of data was obtained from at least four batches of cultures (4–7 cultures)./p> 98^\circ\) are defined as \(\Omega\)-shapes; finally, the intermediate configurations with a nearly cylindrical upper part parallel to z-axis such that, \(82^\circ < {\phi }^{* } < 98^\circ\), belong to the tether-shapes. The \(16^\circ\) range of the angle \({\phi }^{* }\) defined to encompass the tether shapes is somewhat arbitrary and based on the visual ability to recognize deviations of line orientation from the vertical axis./p>