Transport de lipides par bascule

Les membranes jouent un r?le extrêmement important en biologie : elles séparent l'intérieur des cellules de l'espace extracellulaire extérieur, elles donnent aux cellules leur forme et leur taille. Enfin, d'innombrables processus vitaux et échanges de substances se déroulent à la surface des membranes.

Les membranes sont généralement formées d'une double couche de lipides. Les lipides ont une tête "aimant l'eau" (hydrophile) à laquelle sont liées deux longues cha?nes d'hydrocarbures repoussant l'eau (hydrophobes). Dans une couche de lipides double, les têtes hydrophiles des lipides se trouvent à l'extérieur et les cha?nes hydrophobes se font face. De nombreux autres composants sont intégrés dans la membrane, comme des protéines formant des pores ou des enzymes de transport.

Le transport des lipides est essentiel

Le transport de phospholipides ainsi que d'oligosaccharides liés aux lipides (Lipid-linked Oligosaccharide, LLO) est dépendant de l'énergie et difficile à réaliser en raison de la nature bipolaire de la double membrane - intérieur hydrophobe, extérieur hydrophile. C'est là qu'interviennent les flippases. Ce sont des protéines de transport qui font passer les lipides d'un c?té à l'autre de la membrane gr?ce à un mécanisme de flipping particulier. Les flippases jouent un r?le important dans le maintien de l'asymétrie des membranes cellulaires, c'est-à-dire dans la différence de composition des lipides entre l'intérieur et l'extérieur.

Chez les mammifères, la répartition asymétrique des lipides influence par exemple la coagulation sanguine, la reconnaissance immunitaire ou la mort cellulaire programmée, l'apoptose. Les scientifiques supposent qu'une asymétrie lipidique déréglée pourrait être liée à des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer. En outre, les flippases jouent un r?le essentiel dans le transport des oligosaccharides liés aux lipides, qui sont transférés aux protéines lors de la glycosylation.

La structure de la flippase élucidée pour la première fois

Jusqu'à présent, les biologistes ne connaissaient ni la structure exacte des flippases ni le mécanisme par lequel elles réorientent les LLO. Désormais, un groupe de recherche composé de scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université de Berne, sous la direction du professeur ETH Kaspar Locher, montre comment l'une de ces flippases, la "PglK" bactérienne, est structurée et comment elle fonctionne. La PglK se trouve dans la membrane de la bactérie Campylobacter jejuni, un agent pathogène de l'homme.

Pour déterminer la structure moléculaire de la PglK, les chercheurs ont isolé cette flippase des membranes bactériennes et ont "congelé" les molécules trouvées en les cristallisant. Les cristaux ont ensuite été examinés par spectroscopie aux rayons X et les positions des atomes qui composent la flippase ont été déterminées avec une haute résolution. Les scientifiques ont ainsi obtenu la disposition spatiale de trois stades différents de cette molécule mobile. La connaissance de ces stades leur a enfin permis de déduire un mécanisme moléculaire permettant à la PglK de réarranger les LLO.

Ainsi, dans leur travail qui vient d'être publié dans la revue Nature, les chercheurs montrent que la PglK est composée de deux sous-unités identiques qui se déplacent comme des ciseaux sous l'effet de l'énergie. La partie hydrophile du sucre de l'oligosaccharide lié aux lipides est alors tirée, comme un lecteur de carte de crédit, à travers un canal également hydrophile de PglK. La partie lipidique hydrophobe de la molécule reste en revanche coincée dans la partie hydrophobe de la membrane. De ce fait, le LLO change globalement d'orientation, la partie sucre vient se placer sur le c?té extérieur de la membrane. La flippase ne change pas de conformation pendant la translocation de l'oligosaccharide. Ce n'est que lorsque le LLO a quitté la flippase que celle-ci revient à son état initial.

Comprendre le mécanisme de la flippase

Le mécanisme qui vient d'être découvert se distingue fondamentalement des processus de transport étudiés jusqu'à présent, qui se déroulent via des complexes de transport comparables dans les membranes. "Le basculement des lipides dans les membranes a toujours fasciné les biochimistes et les biologistes cellulaires ; la solution biologique à ce problème nous a enthousiasmés !" déclare le co-auteur Markus Aebi, professeur de microbiologie à l'ETH Zurich.

Les groupes de recherche de l'ETH Zurich et de l'Université de Berne sont les premiers à avoir pu résoudre cette énigme biologique fondamentale, à savoir comment LLO est clippé. Pour ce faire, ils ont développé un nouveau modèle in vitro. Le professeur Aebi de l'ETH souligne que seule la collaboration entre biologistes structurels, chimistes et microbiologistes a permis de décrypter ce mécanisme fondamental : "Tous les groupes ont apporté leur expertise respective dans leur domaine. C'est seulement ainsi que nous avons pu obtenir ce succès".

Utilité pour des produits thérapeutiques ?

Ce travail est purement de la recherche fondamentale, bien qu'il existe des maladies qui sont dues à des mutations dans une flippase humaine, poursuit Aebi. Ces maladies appartiennent à la classe des "Congenital Disorders of Glycosylation". Chez l'homme, on conna?t plus de 10'000 sites de glycosylation dans les protéines les plus diverses, "c'est pourquoi les modifications de la glycosylation, à laquelle la flippase participe de manière fondamentale, ont des répercussions sur de très nombreux processus dans le corps", explique le professeur de l'ETH. Cela concerne par exemple le développement et la maturation du système nerveux central.

Il n'est pas clair à l'heure actuelle si les connaissances acquises sur la flippase bactérienne PglK pourront être utilisées un jour. Cependant, les flippases font déjà partie de systèmes biotechnologiques pour la production de glycoprotéines utilisées dans le diagnostic et comme agents thérapeutiques.