Interaction des hélices amphipathiques des périlipines avec des gouttelettes lipidiques

Interaction of perilipin amphipathic helices with lipid droplets

• Auteur / Autrice : Manuel Giménez Andrés
• Direction : Alenka Čopič
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 28/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jacques Monod (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Thierry Chardot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Gautier, Monika Oberer, Abdou Rachid Thiam, Véronique Albanèse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Romain Gautier, Monika Oberer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Périlipines

Gouttelettes lipidiques

Mots clés libres

Hélice Amphipathique

Gouttelettes lipidiques

Stockage des lipides

Interaction protéines - lipides

Périlipine

Interface huile-eau

Amphipathic helix

Lipid Droplet

Lipid storage

Protein-Lipid interaction

Perilipin

Oil-water interface

Résumé

Les gouttelettes lipidiques (LDs) sont des réservoirs d'énergie et des compartiments membranaires. Elles sont composées d'un noyau des lipides neutres et d'une monocouche de phospholipides associées à des protéines. Les hélices amphipathiques (AHs), sont des structures protéiques secondaires qui interagissent avec les membranes des organelles. La manière dont les AHs interagissent avec la surface des LDs reste largement méconnue. Les périlipines sont une famille de protéines abondantes dans les LDs. Elles utilisent les AHs pour cibler les LDs. Certains de leurs membres ont des fonctions bien définies comme régulateurs du métabolisme lipidique, en particulier dans les adipocytes, où ils sont fortement exprimés. La périlipine 4 (Plin4) humaine contient une longue AH de près de 1000 acides aminés, composée de répétitions de 33 acides aminés. Son AH est 10 fois plus longue que les AHs des autres périlipines.Dans ce travail, j'ai utilisé des systèmes biochimiquement reconstitués avec des protéines purifiées et des lipides neutres, et la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae comme cellule modèle pour étudier comment les AHs de Plin4 et d'autres périlipines interagissent avec les LDs. L'AH de Plin4 est dépliée en solution et se replie en une hélice au contact d'une surface lipidique. Nous avons observé qu'avec sa faible hydrophobicité et sa grande longueur, cette AH est adaptée pour interagir avec les LDs sur une grande surface. Elle peut remplacer la fonction des phospholipides à la surface des LDs. Lorsque l'AH de Plin4 purifiée est mélangée avec de l'huile, elle forme des gouttelettes d'huile extrêmement stables. En utilisant la microscopie à fluorescence et des expériences de photoblanchiment, j'ai montré que l’AH de Plin4 formait une couche très immobile sur ces gouttelettes, à la fois in vitro et dans les cellules de levure. Ce n'était pas le cas pour les AHs d'autres périlipines, qui se liaient aux LDs de manière dynamique et étaient rapidement échangées avec l’AH de Plin4 à la surface des gouttelettes d'huile, même lorsque leurs longueurs étaient similaires. Les AHs des périlipines ont également une composition en acides aminés similaire. Compte tenu de ces résultats, je fais donc l'hypothèse qu'une distribution précise des résidus polaires et chargés dans le côté polaire de l’AH de Plin4 est importante pour sa stabilité sur les LDs. L’AH de Plin4 pourrait être stabilisée à la surface des LDs par des interactions électrostatiques entre molécules adjacentes, agissant comme un manteau pour LDs. Cette propriété est probablement importante pour la fonction de Plin4 dans le tissu adipeux. Il est intéressant de noter que mon analyse des séquences de Plin4 AH de différents mammifères montre une variabilité de leur longueur, mais une conservation élevée entre les répétitions dans chaque espèce, en faveur de l’hypothèse selon laquelle l'organisation précise de l’AH de Plin4 est importante pour sa fonction.

Lipid droplets (LDs) are reservoirs of energy and membrane compounds. They are composed of a core of neutral lipids and a monolayer of phospholipids with associated proteins. Amphipathic helices (AHs), are secondary protein structures that interact with organelle membranes. How AHs interact with the surface of LDs is poorly understood. Perilipins are a family of abundant LD proteins that use AHs for targeting LDs. Some of their members have well-known functions as regulators of lipid metabolism, especially in adipocytes, where they are highly expressed. Human perilipin 4 (Plin4) contains a very long AH of almost 1000 amino acids, which is very repetitive, composed of repeats of 33 amino acids. Its AH is 10 times longer than the AHs of other perilipins.In this work, I used biochemically reconstituted systems with purified proteins and neutral lipids, and the budding yeast Saccharomyces cerevisiae as a model cell to study how the AHs of Plin4 and of other perilipins interact with LDs. Plin4 AH is unfolded in solution and folds into a helix in contact with a lipid surface. We show that with its low hydrophobicity and high length, this AH is adapted for interacting with LDs over a large surface. It can replace phospholipids on the LD surface. When purified Plin4 AH is mixed with oil, it forms extremely stable oil droplets. Using fluorescent microscopy and photobleaching experiments, I showed that Plin4 AH formed a highly immobile coat on these droplets. Similarly, Plin4 AH was highly immobile when bound to LDs in yeast. This was not the case for the AHs of other perilipins, which bound to LDs in a dynamic manner and were rapidly exchanged with Plin4 AH on the surface of oil droplets, even when their lengths were similar. These AHs also share a similar amino acid composition. We hypothesize that the precise distribution of polar and charged residues in the polar side of Plin4 AH is important for its stability on LDs. We propose that Plin4 AH is stabilized on the surface of LDs through electrostatic interactions between adjacent molecules, acting like an LD coat. This property is likely important for the function of Plin4 in adipocyte tissue. Interestingly, my analysis of Plin4 AH sequences from different mammals shows variability in their length, but high conservation between the repeats in each species, supporting the conclusion that the precise organization of Plin4 AH is important for its function.