Membranes et fonctions cellulaires

Figure 1. Représentation schématique du trafic membranaire. Illustration Joanna Podkalicka

Notre laboratoire étudie également le trafic membranaire à l'intérieur de la cellule et aux mécanismes contrôlant le flux de membranes à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule par des processus tels que l'endo- et l'exocytose. Notre intérêt se porte à la fois sur les protéines et les lipides impliqués, et nous sommes particulièrement intéressés par les phénomènes dépendant de la courbure ou médiés par elle, qui jouent un rôle crucial dans tous les types de transport vésiculaire. Ainsi, nous essayons de répondre aux questions suivantes : comment différentes protéines et différents lipides contribuent à la formation de compartiments membranaires fortement courbés et comment la courbure peut contrôler leur activité. De plus, nous étudions les mécanismes impliqués dans la dernière étape de la formation de vésicules : la scission membranaire.

Figure 2. Processus impliquant la scission de la membrane. Illustration Joanna Podkalicka

 

Investigateurs du projet:

Joanna Podkalicka, Zhi-Qian Wu, Pulkit Aditya, Feng-Ching Tsai

Sous-projet 1

Un nouveau rôle pour la cavéoline: le transport de la sphingomyéline vers la membrane plasmique

Le tri des lipides et des protéines est un processus crucial qui maintient l'homéostasie membranaire entre les organelles des cellules eucaryotes pendant le transport intracellulaire, ce qui confère des propriétés uniques à chaque compartiment cellulaire. Nous étudions comment des lipides tels que la sphingomyéline (SM) qui forment des membranes rigides, sont transportés des compartiments internes et enrichis à la membrane plasmique. Nous étudions en particulier le mécanisme de tri lipidique médié par les protéines, qui met en jeu des protéines ayant une affinité à la fois pour les membranes courbées et pour des espèces lipidiques spécifiques. Le but du projet est de déterminer le rôle de la cavéoline comme une protéine potentielle participant au trafic des SM vers la membrane plasmique.

Principaux collaborateurs

Christophe Lamaze (UMR3666)

Daniel Lévy (UMR168)

Franck Perez (UMR144)

Christopher Burd (Yale School of x@c, US)

Sous-projet 2

Scission membranaire dans les cellules

Description du projet

La scission de la membrane est essentielle dans de nombreux processus cellulaires, notamment la division cellulaire et la génération de vésicules de transport. Juste avant que la scission ne se produise, la membrane d'un bourgeon vésiculaire ou d'un tubule est fortement courbée avec un cou en forme de selle de cheval. De plus, des protéines sont assemblées au site de pré-scission pour fournir les forces mécaniques nécessaires  surmonterpour vaincre la résistance viscoélastique de la membrane. Nous nous intéressons à la manière dont les assemblages de protéines aux sites de pré-scission entraînent la scission de la membrane dans différents processus cellulaires, en particulier le  cytosquelette d'actine et les complexes ESCRT-III.

Les protéines du complexe ESCRT sont des protéines conservées au cours de l'évolution qui sont impliquées dans de nombreux processus de remodelage membranaire comme la division cellulaire, la formation des corps multi-vésiculaires (MVB) ou la réparation de la membrane nucléaire. Le complexe ESCRT-III est recruté par la cellule pendant la dernière partie du processus de remodelage pour effectuer la scission de la membrane. Il a été démontré que le complexe ESCRT-III est principalement recruté sur les membranes ayant une courbure gaussienne négative.  

Le cytosquelette d'actine, plus spécifiquement le réseau d'actine ramifié médié par le complexe Arp2/3, a été identifié comme l'une des machineries clés impliquées dans la scission membranaire au niveau de la membrane plasmique et sur de nombreux organites (le réseau trans-Golgien, les endosomes et les mélanosomes). Cependant, malgré que sa participation à la scission membranaire soit bien documentée, la façon dont l'actine opère est incomprise pour le moment.

Pour comprendre les mécanismes de scission propres à ces complexes et au cytosquelette d'actine, nous utilisons des systèmes de reconstitution in vitro composés de membranes modèles et de protéines purifiées, combinés à des outils biophysiques. 

(A)                                                              (B)

Figure 1: Représentation schématique de la scission de la 
membrane causée par (A) le complexe ESCRT-III et (B) le cytosquelette d'actine.

Figure 2: Recrutement préférentiel de CHMP4B-ΔC et 
CHMP2A-ΔC(+CHMP3) à l'intérieur du cou du tube. Barre d'échelle : 5 μm.

Figure 3: Détails d'une structure tubulaire hélicoïdale 
induite par CHMP4B-ΔC+CHMP2B-ΔC. Barre d'échelle : 50 nm.

Principaux collaborateurs

Christophe Le Clainche (Institut de Biologie Intégrative de la Cellule, I2BC)

Ya-Wen Liu (National Taiwan University College of Medicine, Taipei, Taiwan)

Senthil Arumugam (Monash University, Melbourne, Australia)

Cédric Delevoye - UMR 144)

Bassam Hajj (UMR168)

Aurélie Bertin (UMR168)

Winfried Weissenhorn (IBS, Grenoble)

Pierre Sens (UMR168)

Les cellules utilisent des protrusions membranaires telles que les filopodes et les “tunneling nanotubes” (TNT), par exemple pour leur migration et pour permettre la communication entre cellules, respectivement. Ces protrusions cellulaires sont des structures membranaires très fines remplies de filaments d'actine. Ici, notre objectif est de comprendre les mécanismes moléculaires et physiques qui sous-tendent la formation des filopodes et des TNTs en utilisant des outils biophysiques pour étudier les systèmes in vitro et in cellulo. Pour cela, nous avons développé un système reconstitué composé de vésicules unilamellaires géantes (GUVs) et de protéines purifiées qui paraissent essentielles à la formation des filopodes. De plus, en utilisant des pinces optiques pour former des nanotubes membranaires à partir de la membrane plasmique de cellules, nous étudions in cellulo les conditions de polymérisation de l'actine dans des géométries tubulaires similaires à celles de ces protrusions.

Sous-projet 2  

Adhésion cellule-cellule  

Description du projet  

Les cellules adhèrent à des substrats ou à d'autres cellules non seulement pour maintenir une cohésion physique, mais aussi pour recevoir des informations sur leur microenvironnement. Un certain nombre de protéines d'adhésion orchestrent cette communication mécano-chimique. Ici, nous étudions leur implication dans la dynamique des premières étapes de l'adhésion cellulaire.

Principaux collaborateurs

Chiara Zurzolo (Institut Pasteur)

Stéphanie Descroix (UMR168, IPGG)

Pekka Lappalainen (Université d'Helsinki, Finlande)

Gregory A. Voth (Université de Chicago, USA)

Christophe Le Clainche (Institut de Biologie Intégrative de la Cellule, I2BC)

Guy Tran Van Nhieu (Laboratoire de Biologie et de Pharmacologie Appliquée, Université Paris-Saclay)

Les septines sont des filaments du cytosquelette qui interagissent avec les membranes plasmiques internes. Les septines sont des protéines ubiquitaires chez les eucaryotes. Ce sont des protéines multitâches essentielles à la division cellulaire, à la motilité cellulaire, à la neuro morphogenèse ainsi qu’à des processus de remodelage membranaire. Les septines ont une affinité pour les courbures micrométriques. Elles sont localisées aux sites de constriction de cellules en division, à la base des cils et des dendrites. Les filaments de septines, qui s'auto-assemblent à partir de complexes hétéromériques palindromiques, peuvent ensuite former des structures d’ordre supérieures (faisceaux de filaments, anneaux, réseaux…). En outre, les septines fonctionnent de concert avec d'autres partenaires du cytosquelette (actine et microtubules) dans une interaction finement régulée. Nous cherchons à comprendre comment les septines interagissent avec des membranes modèles biomimétiques et génèrent un remodelage membranaire. Il s'agit d'un projet collaboratif au sein de trois équipes de PCC (MMM (A. Bertin), LOCCO (B. Hajj) et S. Mangenot (professeur Université de Paris). Nous avons étudié les propriétés de sensibilité à la courbure des septines en utilisant des systèmes reconstitués in vitro de membranes modèles (Beber et al., Nat. Commun., 2019). Nous avons montré que la sensibilité spécifique à la courbure des septines conduit au remodelage de la membrane. En outre, nous étudions également le rôle potentiel des septines en tant que barrière de diffusion.

Figure 1: Octamère de septines de levure, classe 2D par microscopie électronique (gauche) et représentation schématique de l’arrangement des sous unités de septines dans l’hétérooctamère puis sa polymérisation en paires de filaments..

Figure 2: Remodelage membranaire associé à une sensibilité à la courbure. GUVs déformées par les septines présentant des “pics” (gauche). Barre d’échelle: 10 mm. Les septines adoptent une courbure negative sur des substrats concaves (filaments violet) mais restent linéaires et s’alignent perpendiculairement à des courbures convexes (bleu/vert) (droite). Barre d’échelle: 200 nm.

 

Investigateurs du projet: Kémil Belhadji, Johanna Gerstenecker, Alicia Damm, Ranjit Shiva Gulvady, Raju Regmi

Sous-projet 1: Interaction réciproque entre courbure membranaire et les protéines transmembranaires

Les protéines transmembranaires sont enchassées dans des bicouches lipidiques fluides où elles diffusent latéralement. De nombreuses protéines membranaires sont impliquées dans le transport d'ions ou de molécules à travers les membranes en utilisant différentes sources d'énergie (hydrolyse de l'ATP, tension, lumière, etc.) qui permettent des changements de conformation. La façon dont les contraintes mécaniques sur la membrane peuvent affecter ces changements de conformation et donc l'activité des protéines reste une question ouverte. Nous étudions la rétroaction entre les propriétés physiques des membranes, la dynamique conformationnelle fonctionnelle des protéines membranaires et leur diffusion. Nous réalisons des expériences sur des molécules uniques de protéines membranaires reconstituées dans des liposomes pour étudier l'effet de la courbure de la membrane sur les conformations de la protéine.

Sous-projet 2: Senseurs DNA-FRET pour étudier les mécanismes de “clustering” des protéines membranaires

Les protéines membranaires jouent un rôle crucial dans divers phénomènes biologiques tels que l'endocytose et la transduction du signal. Ces phénomènes dépendent fortement du clustering des protéines membranaires. Si la capacité des protéines à clustériser sur la membrane cellulaire est bien établie, les mécanismes physiques qui régissent ce comportement sont loin d'être clairs. Nous combinons des outils de biophysique, de biologie cellulaire et de biochimie afin de concevoir un nanocapteur d'ADN basé sur le FRET à l'échelle de la molécule unique pour mesurer les forces responsables du clustering des protéines membranaires.

Principaux collaborateurs

Daniel Levy (UMR 168)

Bassam Hajj (UMR 168)

Emmanuel Margeat (CBS, Montpellier)

Ludger Johannes (UMR3666/U1143)

John Ispen (University of Southern Denmark, Odense, Danemark)

Weria Pezeshkian (University of Groningen, Pays-Bas)

Coline Prévost*^1,2,3, Feng-Ching Tsai*^1,4, Patricia Bassereau^1,4, Mijo Simunovic^1,5

¹Laboratoire Physico Chimie Curie, Institut Curie, PSL Research University, CNRS UMR168, ²Department of Genetics and Complex Diseases, T. H. Chan School of Public Health, Harvard Medical School, ³Department of Cell Biology, Harvard Medical School, ⁴Sorbonne Universités, UPMC University Paris 06, ⁵Center for Studies in Physics and Biology, The Rockefeller University

* These authors contributed equally

Please, click on the following link to see the video of this work.

Many proteins in the cell sense and induce membrane curvature. We describe a method to pull membrane nanotubes from lipid vesicles to study the interaction of proteins or any curvature-active molecule with curved membranes in vitro.

Reconstitution of a Transmembrane Protein, the Voltage-gated Ion Channel, KvAP, into Giant Unilamellar Vesicles for Microscopy and Patch Clamp Studies

Matthias Garten¹, Sophie Aimon², Patricia Bassereau¹, Gilman E. S. Toombes³

¹Institut Curie, Centre de Recherche, CNRS, UMR 168, PhysicoChimie Curie, Université Pierre et Marie Curie, ²Kavli Institute for Brain and Mind, University of California, San Diego, ³Molecular Physiology and Biophysics Section, National Institute for Neurological Disorders and Stroke, National Institute of Health

Please, click on the following link to see the video of this work.

The reconstitution of the transmembrane protein, KvAP, into giant unilamellar vesicles (GUVs) is demonstrated for two dehydration-rehydration methods — electroformation, and gel-assisted swelling. In both methods, small unilamellar vesicles containing the protein are fused together to form GUVs that can then be studied by fluorescence microscopy and patch-clamp electrophysiology.

coming soon