Cavéoline dans les nanotubes membranaires : détection de courbure et formation de renflement

Caveolin in membrane nanotubes : curvature sensing and bulge formation

• Auteur / Autrice : Zhi-Qian Wu
• Direction : Patricia Bassereau, Christophe Lamaze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/06/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Cellules et Cancer (Paris ; 2024-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut Curie (Paris ; 1978-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Mangenot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Bassereau, Christophe Lamaze, Clément Campillo, Stéphane Vassilopoulos, Aurélien Roux, Abdou Rachid Thiam, Nadia Elkhatib
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Campillo, Stéphane Vassilopoulos

Mots clés

Mots clés libres

Cavéoline

Détection de courbure

Génération de courbure

Renflements sur le tube

Caveolin

Curvature sensing

Curvature generation

Bulges on the tube

Résumé

La cavéoline est l'un des principaux composants protéiques des cavéoles, qui sont de petites invaginations en forme de coupe dans la membrane plasmique. Il est synthétisé dans le réticulum endoplasmique d'une manière dépendante des particules de reconnaissance du signal et transporté vers l'appareil de Golgi via des vésicules recouvertes de COPII. Au niveau du réseau trans-Golgi (TGN), les complexes de cavéoline 8S s'oligomérisent davantage en complexes 70S avec la facilitation du cholestérol. Ils sont ensuite triés dans des transporteurs par un mécanisme inconnu et transportés vers la membrane plasmique. Le modèle structurel conventionnel de la cavéoline pourrait suggérer qu'il s'agit d'une protéine sensible à la courbure, basée sur sa forme moléculaire en épingle à cheveux. Cependant, un modèle de structure récemment découvert du complexe cavéoline 8S dans les micelles de détergent, basé sur la microscopie cryoélectronique, qui présente une géométrie de disque plat, soulève des questions sur sa sensibilité à la courbure. De plus, les cavins, un autre composant protéique majeur des cavéoles qui coopèrent avec les cavéolines pour plier la membrane pour former des cavéoles, ne s'associent pas aux cavéolines au niveau du TGN. Étant donné qu'aucun autre candidat connu, hormis les cavins, ne peut coopérer avec la cavéoline pour former des transporteurs au TGN, il devient difficile de savoir comment ces transporteurs de cavéoline y sont formés. Par conséquent, dans ce projet, nous avons cherché à élucider la sensibilité à la courbure et l’induction de la cavéoline. Nous avons résolu ces problèmes en reconstituant la cavéoline-1 (Cav1) dans la membrane de vésicules nilamellaires géantes (GUV) et en réalisant des expériences de tirage de tubes. Les résultats ont montré que la cavéoline est effectivement une protéine sensible à la courbure, les complexes de cavéoline 8S présentant une inclinaison d'environ 5 egrés par rapport à l'horizontale, ce qui leur confère une sensibilité à la courbure. De plus, nous avons montré que les complexes de cavéoline 8S peuvent générer collectivement une courbure de la membrane à basse tension et former des échafaudages sur les tubes à haute tension. En résumé, nos résultats ont montré que la cavéoline est une protéine détectant et induisant une courbure, suggérant la possibilité de son tri en transporteurs au TGN sur la base de ces propriétés. De manière intéressante, nous avons observé qu’au-dessus d’une certaine tension membranaire Tt qui dépend de la densité de Cav1, les nanotubes extraits des Cav1-GUV ne présentent plus un rayon constant et que les cavéolines forment des renflements sur le tube. Pour explorer comment Cav1 forme ces renflements, nous avons d'abord observé qu'en moyenne, la taille des renflements diminue avec l'augmentation de la tension membranaire. Nous avons constaté que la taille du renflement est proportionnelle à la quantité totale de cavéoline dans le renflement, ce qui suggère une densité Cav1 constante dans les renflements.De plus, une densité plus élevée de cavéoline dans la membrane favorise la formation de renflements et abaisse le Tt. Ces résultats suggèrent que lorsque le rayon du tube diminue, la cavéoline pourrait induire la formation de renflements pour relâcher les contraintes mécaniques dues à la géométrie tubulaire, mais un modèle et une imagerie haute résolution sont maintenant nécessaires pour expliquer ces observations.

Caveolin is one of the major protein components of caveolae, which are small cup-shaped invaginations in the plasma membrane. It is synthesized in the endoplasmic reticulum in a signal recognition particle-dependent manner and transported to the Golgi apparatus via COPII-coated vesicles. At the trans-Golgi network (TGN), caveolin 8S complexes further oligomerize into 70S complexes with the facilitation of cholesterol. They are then sorted intotransport carriers through an unknown mechanism and transported to the plasma membrane. The conventional structural model of caveolin might suggest it is a curvature-sensing protein based on its hairpin molecular shape. However, a recently discovered structure model of the caveolin 8S complex in detergent micelles based on cryo-electron microscopy, which exhibits a flat disc geometry, raises questions about its curvature sensitivity.Furthermore, cavins, another major protein component of caveolae that cooperate with caveolins in bending the membrane to form caveolae, do not associate with caveolins at the TGN. Given that no other known candidate, apart from cavins, can cooperate with caveolin to form transport carriers at the TGN, it becomes unclear how these carriers for caveolin are formed there. Therefore, in this project, we aimed to elucidate the curvaturesensitivity and induction of caveolin. We addressed these issues by reconstituting caveolin-1 (Cav1) into the membrane of giant unilamellar vesicles (GUVs) and by performing tube-pulling experiments. The results showed that caveolin is indeed a curvature-sensing protein, with caveolin 8S complexes exhibiting approximately a 5 degree tilt from the horizontal, which endows them with curvature sensitivity. Furthermore, we showed that caveolin 8S complexes can collectively generate membrane curvature at low tension and form scaffolds on the tubes at high tension. In summary, our results showed that caveolin is a curvature-sensing and -inducing protein, suggesting the possibility of its sorting into transport carriers at the TGN based on these properties. Interestingly, we observed that above a certain membrane tension Tt that depends on Cav1 density, nanotubes pulled from Cav1-GUVs no longer exhibit a constant radius and that caveolins form bulges on the tube. To explore how Cav1 form these bulges, we first observed that on average, bulges' size decreases with an increase in membrane tension. We found that the bulge size is proportional to the total amount of caveolin in the bulge, suggesting a constant Cav1 density in the bulges. Additionally, higher density of caveolin in the membrane favors bulge formation and lowers Tt. These results suggest that when the tube radius decreases, caveolin might induce formation of bulges to relax mechanicalconstraints due to the tubular geometry, but a model and high resolution imaging are now needed to explain these observations.