Un rôle nouveau de la cavéoline dans le transport de la sphingomyéline à la membrane plasmique – CAV-SM

Le tri des lipides et des protéines est un processus fondamental pour l'identité et les propriétés des différents organites cellulaires. La sphingomyéline (SM) joue un rôle clé à la membrane plasmique (MP) dans l'organisation de nanodomaines, comme les radeaux lipidiques et les cavéoles. La perturbation de la biosynthèse ou du trafic de SM est retrouvée dans des pathologies humaines comme le cancer et les maladies cardiovasculaires. La SM est synthétisée au niveau du Trans-Golgi (TGN) puis transportée à la PM. Cependant, la manière dont la SM est triée au TGN puis transportée à la PM n'est pas encore comprise. En effet, comme les membranes riches en SM sont rigides, le mécanisme connu de tri des lipides par la courbure membranaire, basé sur la minimisation de l'énergie mécanique, ne peut pas expliquer l'enrichissement en SM de la MP. Notre hypothèse est que le mécanisme de tri des SM met en jeu l'assistance de protéines, qui doivent ainsi avoir une affinité pour les membranes courbées et la SM. C'est le cas de la cavéoline 1 (Cav1) qui est enrichie dans la voie de sécrétion. Nos données préliminaires montrent en effet que les cellules KO pour Cav1 présentent une diminution significative de la quantité de SM à la MP.

Notre objectif est de déterminer les mécanismes moléculaires et la contribution de la SM dans l'assemblage de Cav1 au TGN, ainsi que le rôle de Cav1 dans le trafic de SM du TGN vers la MP. Nous testerons deux hypothèses : (i) SM est nécessaire à l'assemblage correct de Cav1 et à son oligomérisation au TGN (ii) Cav1 permet l'incorporation de SM dans les vésicules bourgeonnant au TGN et transportées à la MP.
Nous étudierons in cellulo le tri de SM dépendant de Cav1, en utilisant le système RUSH (retention using selective hooks) qui permet un trafic synchronisé et une libération contrôlée du réticulum endoplasmique de Cav1 et de SM marquée par l'Equinatoxine. La Tâche 1 décrira le bourgeonnement vésiculaire et le transport jusqu'à la MP. Dans les Tâches 2 et 3, le tri sera étudié avec des systèmes in vitro, grâce à notre récente reconstitution de Cav1 dans des vésicules unilamellaires, petites et géantes (GUVs), un challenge jamais réalisé auparavant. Dans la Tâche 2, nous utiliserons la cryo-microscopie électronique pour étudier l'organisation 3D de Cav1 sur les membranes, son effet sur la déformation des membranes et sa dépendance à SM. La Tâche 3 déterminera si Cav1 et SM sont enrichies synergistiquement dans les membranes courbées, par des expériences de nanotubes membranaires tirés de GUVs contenant Cav1. Enfin, puisque Cav1 est hémi-membranaire et insérée dans le feuillet interne de la MP alors que SM est essentiellement dans le feuillet externe, la Tâche 4 abordera la question de l'asymétrie membranaire. Nous étudierons le couplage trans-bicouche à la fois in cellulo, en perturbant chacun des composants potentiellement impliqués et en observant le tri et le transport intracellulaire ultérieurs, et in vitro, en adaptant des protocoles existants pour la préparation de membranes modèles asymétriques, avec Cav1 reconstituée de manière unidirectionnelle dans un feuillet et SM dans le feuillet opposé.

Les 3 partenaires qui ont déjà collaboré apporteront une combinaison unique d'expertise en biologie cellulaire, biophysique et biologie structurelle. P1 a démontré le rôle primordial de Cav1 dans la réponse mécanique des cellules, P2 a déchiffré des mécanismes de tri des lipides et de protéines dans les membranes courbées, et P3 a étudié l'architecture 3D de protéines membranaires à l'échelle moléculaire.
Le projet CAV-SM jettera un nouvel éclairage sur le rôle joué par les caveolae/cavéolines dans le transport des lipides et donc, dans l'homéostasie des lipides et l'organisation des MP. Il abordera donc des questions qui sont non seulement centrales en biologie cellulaire fondamentale, mais aussi pertinentes dans plusieurs maladies impliquant les caveolae, notamment le cancer, l'athérosclérose et les myopathies.