Thèse soutenue

Simulations moléculaires de la biogénèse des gouttelettes lipidiques

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Auteur / Autrice : Vincent Nieto
Direction : Luca Monticelli
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Biophysique computationnelle
Date : Soutenance le 09/03/2023
Etablissement(s) : Lyon 1
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Molecular Microbiology and Structural Biochemistry (Lyon ; 1999-....)
Jury : Président / Présidente : Patrice Gouet
Examinateurs / Examinatrices : Patrice Gouet, Alessandro Barducci, Alenka Čopič, Yonghua Li-Beisson, Lionel Foret, Claire Loison, Jelger Risselada
Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Barducci

Résumé

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Les gouttelettes lipidiques (GLs) sont des organites cellulaires omniprésents régulant le stockage et le métabolisme des lipides. Les GLs sont générées dans le réticulum endoplasmique (RE) et le mécanisme de leur biogenèse n'est pas compris car extrêmement difficile à caractériser expérimentalement, en raison de la petite taille et de la nature dynamique des GLs naissantes. Le dysfonctionnement de la biogenèse des GLs est lié à un large éventail de maladies. Comprendre la formation des GLs est l'objectif principal de cette thèse. Je me suis concentré sur trois aspects : (1) la partition des protéines dans les GLs naissantes, (2) l'analyse de la forme des GLs comme indicateur de leur tendance à bourgeonner, et (3) le mécanisme de bourgeonnement. Les protéines jouent un rôle important dans la naissance et la fonction des organites. Les protéomes respectifs des GLs et du RE sont différents, bien que leurs membranes soient connectées, et les facteurs déterminant la distribution des protéines ne sont pas clairs. Nous avons étudié la partition des protéines du RE, en nous concentrant sur des protéines modèles pour imiter les protéines membranaires transmembranaires et monotopiques. Nous avons constaté que les propriétés chimiques des protéines affectent leur distribution autour des GLs naissantes et expliquent les différents protéosomes des deux organites. Au cours de leur formation, les GLs subissent un changement radical de forme, de la forme de lentille d'une GL naissante intégrée dans une membrane à des GLs sphériques émergeant du RE. Des travaux théoriques ont permis une description mathématique de la forme en fonction du volume de la GL, et prédit que le changement de forme, correspondant au bourgeonnement, se produisant lorsque la GL croît au-delà d'un certain seuil, estimé à quelques dizaines de nm. Cependant, aucun bourgeonnement n'a été observé dans les simulations de GLs naissantes. En comparant la forme des GLs simulées avec les formes théoriquement prédites, nous avons trouvé un très bon accord avec la théorie, indiquant que les simulations peuvent être utilisées pour obtenir un aperçu au niveau moléculaire des propriétés et de la dynamique de ces systèmes. Le bourgeonnement des GLs se déroule sur une échelle de temps et de durée hors de portée des techniques de microscopie actuelles. Le bourgeonnement est donc la partie la moins comprise et la plus importante de la biogenèse des GLs, car la direction du bourgeonnement détermine la couverture protéique et donc la fonction des GLs dans les cellules. Ici, nous avons développé une méthode de simulation hors équilibre, appelée POP-MD, pour émuler efficacement la synthèse des lipides et explorer les forces motrices et les conditions du bourgeonnement des GLs. Nous avons également modélisé la protéine clé de la biogenèse des GLs, seipin, et nous l’avons insérée des membranes tubulaires, présentant une morphologie, une taille et une composition chimique réalistes de la partie tubulaire du RE. POP-MD nous a permis de simuler, pour la première fois, le processus de bourgeonnement. Nous avons constaté que l'asymétrie des feuillets est nécessaire et suffisante pour reproduire le bourgeonnement, indépendamment de tous les autres facteurs. Le couplage de la synthèse des triglycérides et des phospholipides est nécessaire pour produire des structures bourgeonnées. Seipin échafaude le cou de la GL bourgeonnée et empêche la génération de défauts au niveau du cou de la GL. La composition lipidique du RE facilite le mécanisme car elle fournit des membranes moins rigides, réduisant les défauts membranaires pendant la biogenèse. Dans l'ensemble les simulations ont fourni une vue moléculaire sans précédent de la biogenèse GL avec une résolution de longueur inférieure au nanomètre et une résolution temporelle de l’ordre de la picoseconde ont permis l'interprétation de nombreuses données expérimentales et ont élucidé le rôle des différents composants nécessaires au processus de bourgeonnement.