Mécanisme de fission membranaire : approches mécanique et énergétique du cas de la dynamine

Dynamin-Mediated Membrane Fission

• Auteur / Autrice : Sandrine Morlot
• Direction : Patricia Bassereau, Aurélien Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7 en cotutelle avec Université de Genève. Section de physique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membrane cellulaire

Cycle cellulaire

Endocytose

Résumé

La cellule eukaryote est organisée en plusieurs compartiments, appelés organelles, délimités par des membranes; La fission des membranes est nécessaire pour le transport intracellulaire entre organelles. L'endocytose est un mécanisme de transport depuis la membrane plasmique vers les autres organelles. La Dynamine est une guanosine triphosphatase (GTPase) impliquée dans la fission des vésicules pendant l'endocytose médiée par la Clathrine. Elle polymerise en hélice au coup des bourgeons endocytiques. Après hydrolyse du GTP, la structure de l'hélice est modifiée : le rayon interne diminue de 10 à 5 nm et le pas hélical de 13 à 9 nm. Ces modifications indiquent un mécanisme de constriction. La dynamique de constriction est étudiée en suivant la rotation de microbilles attachées à des tubes lipidiques recouverts de Dynamine. La déformation des hélices de Dynamine est concertée et amortie par la friction entre membrane et Dynamine. Cependant la constriction ne suffit pas pour la fission. Pour comprendre davantage son mécanisme, la fission par la Dynamine est étudiée à l'aide de tubes lipidiques extraits de vésicules unilamellaires géantes. La fission se produit au bord de l'hélice, où la membrane est fortement courbée. D'après l'analyse statistique des temps de fission, la réaction de fission peut être modélisée par une unique barrière énergétique. La dépendance du temps de fission en rigidité de membrane, en tension de membrane et en couple est établie théoriquement et validée expérimentalement. Ce travail établit le profil énergétique de la réaction de fission membranaire et évalue à 70 KBT la barrière énergétique.

The eukaryotic cell is organized in several compartments, named organelles, delimited by lipid membranes. The fission of these membranes is required for vesicular traffic between organelles. Endocytosis is the mechanism of vesicular traffic from the plasma membrane towards other organelles inside the cell. Dynamin is a guanosise triphosphatase (GTPase) implicated in vesicle scission during Clathrin-mediated endocytosis. It polymerizes into a helix at the neck of endocytic buds. Upon GTP hydrolysis, conformational changes modify the helical structure : the inner radius decreases from 10 to 5 nm and the helical pitch reduces from 13 to 9 nm. These modifications show that fission proceeds through a constriction mechanism. The dynamics of constriction is investigated by monitoring the rotations of microbeads attached along Dynamin-coated tubes after GTP addition. The deformation of Dynamic helices is highly concerted and damped by the friction between membrane and Dynamin. However constriction is not enough to trigger fission. To further understand fission, Dynamin polymerization and fission are studied on lipid tubes extruded from Giant Unilamellar Vesicles. It is shown that fission occurs at the edge of the helix, where the membrane is strongly curved. A statistical analysis of fission time reveals that the fission reaction can be modeledby a single step energy barrier. The fission time dependence on membrane tension, membrane rigidity and torque is established theoretically and validated experimentally. This work gives a quantitative picture of the energy landscape of Dynamin-mediated fission : the height of the energy barrier of fission is estimated around 70 KBT.