GPI anchored proteins identify gel-like lipid domains in the membrane of the Endoplasmic Reticulum
Identification de domaines lipidiques dans les membranes du réticulum endoplasmique grâce aux protéines à ancre GPI
Résumé
By definition, eukaryotic cells are made up of different compartments, each with its own specific functions. This specificity is the result of differences in the protein and lipid compositions of these compartments. Lipids not only act as a physical barrier between compartments, they also play a key role in numerous mechanisms. In particular, lipids enable the organization of proteins inserted in membranes, and can thus promote the clustering of these proteins in restricted areas. In contrast to intracellular membranes, lipid domains have been widely described at the plasma membrane. Yet the ability of lipids to form domains within membranes is exploited during intracellular transport of glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored proteins. These proteins have the particularity of being attached to membranes via their anchoring to GPI, a phospholipid conjugated to sugars. In polarized cells, it has been shown that prior to export to plasma membrane, GPI-anchored proteins are accumulated in rigid lipid domains in the Golgi apparatus. This partitioning enables GPI-anchored proteins to be addressed to the right pole of the cell. This mechanism highlights the role of lipid domains within intracellular membranes, but the study of such domains remains complex, notably because of the difficulty of labelling and tracking the lipids. Although lipid probes do exist, they share a number of drawbacks. Most probes rely on the binding of a fluorescent molecule to lipids, either by targeting polar groups exposed on the membrane surface or by interacting directly with the hydrophobic core of the membrane. The former can only target lipids carrying a specific group, while the latter involve the insertion of ectopic lipids into membranes, thereby modifying their properties. Moreover, hydrophobic probes are also subject to lipid diffusion and are thus transported throughout the cell, preventing the study of lipids in a specific compartment. In this project, we developed a sensor capable of tracking lipid dynamics within ER membranes. Using the RUSH (Retention Using Selective Hooks) system developed to synchronize protein transport, we retained GPI-anchored proteins in the ER. This sensor enabled us to track in the ER not only GPI-anchored proteins, but also the lipids to which these proteins are anchored. We thus studied the effect of increasing membrane stiffness on ER membranes. In response to increased membrane saturation, we observed the formation of GPI-containing domains in the ER only. This effect is potentiated by a decrease in temperature, which also induces a decrease in stiffness. We were able to characterize these domains, showing that they remain connected to the rest of the ER, but that no diffusion is possible within them. Surprisingly, the appearance of these domains did not disrupt the organization or function of the ER, suggesting that they may represent a response to increased stiffness that preserves the fluidity of ER membranes.
Les cellules eucaryotes sont par définition composées de différents compartiments qui assurent chacun des fonctions spécifiques. Cette spécificité est la conséquence des différences dans les compositions en protéines et en lipides de ces compartiments. Les lipides ne constituent pas seulement une barrière physique entre les compartiments, jouant également un rôle clé dans de nombreux mécanismes. Les lipides permettent notamment l’organisation des protéines insérées dans les membranes, pouvant ainsi favoriser le regroupement de ces protéines dans des zones restreintes. Ces domaines lipidiques ont été largement décrit à la membrane plasmique, à l’inverse des membranes intracellulaires. Pourtant la capacité des lipides à former des domaines au sein des membranes est exploitée lors du transport intracellulaire des protéines à ancre glycosylphosphatidylinositol (GPI). Ces protéines ont la particularité d’être ancrées à la membrane via leur ancrage au GPI, un phospholipide conjugué à des sucres. Dans les cellules polarisées, il a été montré qu’avant leur export vers la membrane plasmique, les protéines à ancre GPI sont accumulées dans des domaines lipidiques rigides présents dans l’appareil de Golgi. Ce regroupement permet l’adressage de protéines vers le bon pôle de la cellule. Ce mécanisme met en évidence le rôle de domaine lipidiques au sein des membranes intracellulaire, mais l’étude de tels domaines restent complexes, notamment du fait de la difficulté à marquer et suivre les lipides. Bien que des sondes lipidiques existent, elles partagent des inconvénients. La plupart des sondes reposent sur la liaison d’une molécule fluorescente à des lipides, soit en ciblant les groupements polaires exposés à la surface des membranes soit en interagissant directement avec le cœur hydrophobe des membranes. Les premières ne peuvent ainsi cibler que les lipides porteurs d’un groupement spécifique, tandis que les secondes impliquent l’insertion de lipides ectopiques dans les membranes, modifiant ainsi leur propriété. De plus, les sondes hydrophobes sont également soumises à la diffusion des lipides et sont ainsi transportées à travers la cellule, ne permettant donc pas d’étudier les lipides dans un compartiment spécifique. Au cours de ce projet nous avons mis au point un senseur capable de suivre la dynamique des lipides au sein de membranes du réticulum. Grâce au système RUSH (Retention Using Selective Hooks) qui permettant la synchronisation du transport de protéines, nous avons retenu des protéines ancres GPI dans les RE. Ce senseur, nous a permis de suivre dans le RE non seulement des protéines à ancre GPI mais également les lipides auquel ces protéines sont ancrées. Nous avons ainsi étudié l’effet d’une augmentation de la rigidité des membranes sur les membranes du RE. En réponse à une augmentation de la saturation des membranes, nous avons observé la formation de domaines contenant les GPI dans le RE uniquement. Cet effet est potentialisé par une diminution de la température, qui induit également une diminution de la rigidité. Nous avons pu caractériser ces domaines, montrant qu’ils restaient connectés au reste du RE, mais qu’aucune diffusion n’était possible au sein de ces domaines. Etonnement, l’apparition de ces domaines ne perturbent ni l’organisation, ni les fonctions du RE, laissant penser que ces domaines pourraient constituer une réponse permettant de préserver la fluidité des membranes du RE en réponse à une augmentation de la rigidité.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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