La formation d'un bourgeon vésiculaire repose sur une machinerie complexe qui déforme, par une action mécanique, une membrane plane en une membrane courbée. Le manteau COPI, responsable de ce phénomène dans le Golgi, se polymérise latéralement à la surface de la membrane, sous le contrôle de la petite protéine G Arf1 activée. Suite à la formation de la vésicule, Arf1 revient à l'état inactif par hydrolyse de son GTP et se dissocie de la membrane, provoquant alors le désassemblage du manteau. Cette réaction d'hydrolyse doit être finement régulée, pour ne pas intervenir trop tôt et compromettre l'assemblage du manteau. Notre laboratoire a révélé que l'activité de la protéine ArfGAP1, responsable de la désactivation d'Arf1, est hypersensible à la courbure membranaire. Ceci permettrait à ArfGAP1 de réguler de manière spatio-temporelle l'état du manteau COPI en couplant son désassemblage à la courbure membranaire qu'il a lui-même induite.<br />Au cours de ma thèse, j'ai montré que la dépendance d'ArfGAP1 à la courbure s'explique par la présence dans cette protéine de deux motifs « ALPS », qui se replient en hélices alpha lors de leur adsorption membranaire. Ce sont des hélices amphipathiques atypiques car, si elles possèdent une face hydrophobe classique, elles ont une face polaire riche en sérine et thréonine et pauvre en résidus chargés. Puisque ces résidus hydroxylés ne peuvent interagir avec les têtes polaires des lipides, la liaison d'un motif ALPS ne repose que sur l'insertion de ses résidus hydrophobes entre les lipides, ce qui est favorisé par l'écartement lipidique induit par la courbure membranaire, mais plus difficile sur membrane plane où les lipides sont plus compactés.

Les membranes cellulaires sont constamment remodelées par le bourgeonnement et la fusion de vésicules assurant le transport entre les différentes organelles. De nombreuses protéines périmembranaires orchestrent ce trafic vésiculaire. Les hélices amphipathiques jouent un rôle important dans le mécanisme d'interaction de certaines de ces protéines avec les membranes. A la différence de domaines protéiques reconnaissant spécifiquement un lipide, les hélices amphipathiques reconnaissent plus globalement la physicochimie d'une membrane (forme, charge...). GMAP-210 est une très longue protéine golgienne qui agit comme corde moléculaire grâce à sa structure en coiled-coil. Le laboratoire avait montré que l'extrémité N-terminale de GMAP-210 possède un motif ALPS, une hélice amphipathique singulière sensible à la courbure membranaire. Les motifs ALPS sont caractérisés par l'absence de résidus basiques, l‘interaction avec les membranes ne repose donc que sur l'hydrophobicité. Pour compenser ce déficit, la liaison des motifs ALPS n'a lieu qu'au contact de membranes fortement courbées. Dans le cas de GMAP-210, le motif ALPS permettrait de capturer des vésicules de transport. J'ai démontré que l'autre extrémité de la corde interagit avec Arf1GTP sur des membranes. Cette interaction est conditionnée par le contact avec la surface membranaire d'une petite hélice amphipathique située en aval du domaine d'interaction avec Arf1. De façon remarquable, l'interaction entre Arf1GTP et le domaine C-terminal de GMAP-210 est régulée indirectement par la courbure membranaire. En effet, ArfGAP1, identifiée comme la première protéine possédant un motif ALPS, est capable de dissocier rapidement le complexe de membranes courbées. Par conséquent, GMAP-210 connecte des membranes courbées, par exemple des vésicules, à des membranes planes recouvertes d'Arf1, par exemple des citernes golgiennes. Le mécanisme vectoriel d'attachement de membranes par GMAP-210 repose donc sur de nombreuses hélices amphipathiques (deux dans GMAP-210, une dans Arf1 et une dans ArfGAP1) et permettrait d'expliquer le confinement des vésicules de transport autour de l'appareil de Golgi. Des mesures de vitesse spontanée de désorption membranaire des extrémités de GMAP-210 suggèrent que l'attachement des membranes est très dynamique et a lieu sur des échelles de temps de la seconde à la minute. Le motif ALPS n'est pas le seul motif amphipathique sensible à la courbure. L'alpha-synucléine, une protéine synaptique célèbre pour son implication dans la maladie de Parkinson, contient également une hélice amphipathique senseur de courbure. Curieusement, la physicochimie du motif ALPS et de l'alpha-synucléine est opposée tant pour la face polaire que pour la face hydrophobe. L'alpha-synucléine a une périodicité atypique (3/11), une face polaire zwittérionique et une face hydrophobe présentant de petits résidus et des thréonines. En utilisant des liposomes de composition et de rayon définis, j'ai montré que la charge négative des membranes est un paramètre discriminant dans la liaison aux membranes des deux protéines. En effet, à la différence de GMAP-210, l'alpha-synucléine est strictement dépendante d'un taux élevé de phospholipides anioniques. Par contre, ces protéines sont toutes les deux très sensibles à la nature des chaînes insaturées des phospholipides. Les premiers résultats montrent néanmoins des subtilités intéressantes : l'alpha-synucléine semble mieux adaptée que GMAP-210 à une membrane polyinsaturée comme l'est celle des vésicules synaptiques. En conclusion, de nombreuses hélices amphipathiques sont impliquées dans le trafic vésiculaire. Elles présentent de nettes différences dans leur physicochimie suggérant une adaptation à des membranes cellulaires (de composition lipidique et de rayon définis) par des mécanismes qui restent largement à explorer.

La communication entre les différentes organelles se fait par l’intermédiaire du trafic vésiculaire, un processus qui nécessite un remodelage continu des membranes. Les vésicules fortement courbées bourgeonnent d'un compartiment donneur et fusionnent avec un compartiment accepteur. Les protéines impliquées dans le bourgeonnement et fusion des vésicules ont été largement étudiées. Récemment, la découverte de détecteurs de courbure membranaire a révélé que le trafic membranaire pourrait être régulé à un niveau supplémentaire, par la détection de la forme de la membrane. Le premier détecteur de courbure membranaire identifié était le motif ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor), qui a été trouvé dans un certain nombre de protéines de la voie sécrétoire précoce et l'enveloppe nucléaire. La protéine d’arrimage GMAP-210 localisé au niveau du cis-Golgi, est composée d’une longue superhélice (coiled-coil) et d’un motif ALPS à l'extrême N-terminale. Il a été démontré in vitro, que ce motif se replie et forme une hélice amphipathique capable de se fixer sur des petits liposomes. Toutefois, l'identité des vésicules, reconnues par ce détecteur de courbure dans la cellule, reste inconnue. α-Synucléine est une autre protéine qui se lie préférentiellement à des membranes très courbées. Cette protéine localisée sur les vésicules synaptiques, est impliquée dans la régulation du taux de vésicules au niveau des terminaisons nerveuses pré-synaptiques. Connue pour son rôle central dans le développement de la maladie de Parkinson, α-synucléine contient une région non structurée en solution, mais qui forme une hélice amphipathique au contact de petits liposomes in vitro. Les hélices amphipathiques formées par le motif ALPS et α-synucléine sont très différentes aussi bien sur le plan chimique que sur le plan conformationel. Le motif ALPS possède une face hydrophobe bien développée, mais un coté polair pauvre avec très peu de résidus chargés. α-Synucléine, en revanche, a un côté hydrophobe modéré, et une face polaire zwitterionique riche en résidus chargés. L'objectif principal du projet était de comparer les propriétés de liaison aux membranaires in vivo et in vitro de ces deux hélices amphipathiques de structure opposée. L’expression de ces deux sondes chez la levure, favorise l'accumulation de structures vésiculaires de propriétés différentes. L'extrémité N-terminale de la protéine GMAP-210 contenant son motif ALPS (GMAPN) co-localisé spécifiquement avec des marqueurs de la voie sécrétoire précoce, alors une sonde contenant une portion de l’hélice amphipathique d’α-synucléine co-localise avec des marqueurs endocytiques et post-Golgiens. La mutagenèse du motif ALPS et l'inversion de la séquence de ALPS dans GMAPN confirment que ce détecteur de courbure membranaire se fixe spécifiquement aux vésicules via des interactions directes protéines-lipides, plutôt que les interactions protéines-protéines. Notre analyse a montré que ces détecteurs de courbure mammifères, exprimés dans la levure préservent leur capacité à cibler des vésicules spécifiques, vésicules de la voie sécrétoire précoce pour les motifs ALPS, et vésicules d’endocytose/post-Golgi pour α-synucléine. La composition membranaire de ces vésicules correspond à la composition des liposomes fixés par le motif ALPS et α-synucléine in vitro. Les propriétés biochimiques opposées du motif ALPS et α-synucléine, sont parfaitement adaptés à chacun de ces deux environnements membranaires dans la cellule. Le programme HeliQuest est conçu pour identifier des hélices amphipathiques capables de se lier sur les membranes, y compris les motifs ALPS. Un nouveau module conçu pour identifier les hélices amphipathiques avec des propriétés similaires à α-synucléine a été récemment élaboré. Les recherches effectuées dans les bases de données de protéines de levure et humaines ont permis d’identifier des hélices amphipathiques candidats qui ont des propriétés similaires à α-synucléine, dans de nombreuses protéines. Nous avons préparé un ensemble de sondes, dans lequel ces hélices sont insérées à la fin de la superhélice de GMAPN. Une première étude de leur co-localisation dans les cellules de levure avec un ensemble de marqueurs démontre une localisation spécifique, ce qui suggère que ces hélices peuvent avoir la capacité de cibler des membranes de manière spécifique. D'autres travaux seraient nécessaires pour confirmer ou pas si ces hélices amphipathiques font partie d'une nouvelle classe de détecteurs de courbure ayant les mêmes propriétés que α-synucléine. / Communication between membrane-bound organelles is mediated by vesicular trafficking, a process which requires continual membrane remodeling. Highly curved vesicles bud from a donor compartment through functioning of different coat protein complexes, and fuse with an acceptor compartment thanks to proteins of the membrane fusion machinery. The proteins involved in vesicle budding and fusion have been extensively studied. Recently, the discovery of membrane curvature sensors revealed that membrane trafficking could be regulated at an additional level, through detection of the shape of a membrane. The first membrane curvature sensor identified was the ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor) motif, which has been found in a number of proteins that function in the early secretory pathway and nuclear envelope. One example is GMAP-210, a long coiled-coil tether localizing to cis-Golgi membranes, which has an ALPS motif at its extreme N-terminus. This ALPS motif was found to fold into an amphipathic helix and bind to small liposomes in vitro. However, the identity of the vesicles that this curvature sensor binds to in cells is not known. Another protein - α-synuclein - has also been reported to bind preferentially to highly curved membranes. This neuronal protein localizes to synaptic vesicles and is involved in maintaining the reserve pool of vesicles in pre-synaptic nerve terminals. α-Synuclein, known for its central role in the development of Parkinson’s disease, contains a region that is unstructured in solution, but forms an amphipathic helix upon binding to small liposomes in vitro. The chemistry and geometry of the amphipathic helices formed by ALPS motifs and α-synuclein are very different. The ALPS motif has a well-developed hydrophobic face but a poor polar side with few charged residues. α-Synuclein, in contrast, has a restrained hydrophobic side, and a zwitterionic polar face rich in charged residues. The main goal of the project was to compare the in vivo and in vitro membrane binding properties of these two amphipathic helices of opposite structure. When expressed in yeast cells, these two curvature sensors promoted the accumulation of vesicular structures possessing different characteristics. The N-terminus of GMAP-210 containing its ALPS motif (GMAPN) co-localized specifically with early secretory pathway markers, whereas a probe containing a portion of the amphipathic membrane-binding helix of α-synuclein co-localized with endocytic and post-Golgi markers. Mutagenesis of the ALPS motif and the inversion of the ALPS sequence in GMAPN support the conclusion that this membrane curvature sensor is targeted to specific vesicles in cells through direct protein-lipid, rather than protein-protein interactions. Our analysis has shown, remarkably, that mammalian curvature sensors expressed in yeast cells preserve their capacity to target specific vesicles, those of the early secretory pathway for ALPS motifs, and endocytic/post-Golgi vesicles for α-synuclein. The membrane composition of these vesicles corresponds to the preferred in vitro liposome binding properties of these membrane curvature sensors. The contrasting chemistries of ALPS motifs and α-synuclein are well adapted to each of these two major membrane environments in the cell. The HeliQuest algorithm is designed to search databases for membrane-binding amphipathic helices, including ALPS motifs. A new module designed to identify amphipathic helices with properties similar to α-synuclein has recently been developed. Searches of both yeast and human protein databases has identified candidate α-synuclein-like amphipathic helices in numerous proteins. We prepared a set of probes, in which these helices are displayed at the end of the GMAPN coiled-coil. An initial study of their co-localization in yeast cells with a set of organelle markers demonstrates specific localization patterns, suggesting that these helices may have specific membrane targeting capacities. Further work will explore the question of whether these amphipathic helices are part of a novel class of α-synuclein-like curvature sensors.

Des motifs structuraux largement impliqués dans les processus de modulation de la courbure membranaire sont les hélices amphipathiques. Parmi eux, un senseur de la courbure exhibant des propriétés particulières a été identifiée récemment : ALPS (ArfGAP1 Amphipathic lipid packing sensor). Il a été montré que son interaction avec la membrane était indépendante des charges Žlectrostatiques En effet, le modèle actuel suggère que les résidus hydrophobes soient les responsables de l'ancrage d'ALPS ˆ la membrane en reconaissant les défauts d'empaquetage lipidique. Par simulations par dynamique moléculaire des différentes membranes lipidiques avec le motif ALPS, nous montrons que ce senseur exhibe une considérable liberté conformationnelle et structurelle qui l'habilitent ˆ explorer les défauts d'empaquetage aux niveaux des têtes polaires ainsi qu'au niveau des chaînes aliphatiques. Nous proposons des nouvelles perspectives au niveau atomique de la reconnaissance des défauts d'empaquetage lipidique par ALPS o la déformabilité et flexibilité structurale ainsi que les propriétés dynamiques et physiques de la membrane jouent un r™le prépondérant.

Certains processus biologiques tels que le transport vésiculaire sont régulés par des motifs qui guident les protéines vers les membranes courbées. L'un d'entre eux est le motif ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor) qui reconnaît les défauts de packing provoqués par la courbure convexe de la membrane. Dans ce travail, nous combinons des simulations de dynamique moléculaire (DM) et des expériences de dichroïsme circulaire (CD) pour comprendre ce phénomène à l'échelle moléculaire. Les simulations de DM nous ont permis de caractériser et de quantifier les défauts de packing entre les lipides. Nous montrons que les défauts de packing provoqués par la courbure membranaire sont similaires à ceux provoqués par l'introduction de lipides coniques dans une bicouche plate composée de lipides cylindriques. En examinant l'interaction du motif ALPS avec une membrane contenant de tels défauts, nous montrons que l'insertion précoce de ce motif à la membrane est guidée par l'insertion de ses gros résidus hydrophobes dans des défauts pré-existants. Les expériences de CD et les simulations de DM avec échanges de répliques indiquent que les défauts facilitent le repliement du motif ALPS en une hélice alpha partielle. Enfin, les expériences de CD nous ont permis d'explorer la thermodynamique d'insertion du motif ALPS en fonction de la composition lipidique. Notre travail suggère que la composition de séquence particulière du motif ALPS ainsi que son faible taux d'hélicité jouent un rôle dans la reconnaissance des défauts de packing, donc de la courbure.