Appareil de Golgi
Morphologie et dynamique de l’appareil de Golgi
L’appareil de Golgi dans de nombreuses cellules animales apparaît comme une structure en forme de ruban adjacente au noyau et proche du centrosome, le principal centre d’organisation des microtubules de la cellule (Fig. 21.18A). Des micrographies électroniques de coupes fines montrent que l’appareil de Golgi est constitué de citernes empilées, aplaties et entourées de membrane qui ressemblent à une pile de crêpes (Fig. 21.18B). La réticulation des citernes par les facteurs de fixation associés au Golgi entraîne leur alignement parallèle et serré au sein de la pile. Les tubules et les vésicules situés sur les bords des piles relient plusieurs piles en une structure unique en forme de ruban par un processus dépendant des microtubules. Si les microtubules sont dépolymérisés de manière expérimentale, la structure de Golgi en forme de ruban se réorganise en piles uniques que l’on retrouve aux sites de sortie du RE (Fig. 21.19). Cette distribution ressemble à la distribution des piles de Golgi dans les cellules végétales, où, des centaines de piles uniques sont situées à côté des sites de sortie du RE plutôt que d’être réunies en un seul ruban.
Les piles de citernes de Golgi dans les cellules animales et végétales présentent toutes une polarité cis-trans reflétant le passage de la cargaison à travers l’organite. Les protéines et les lipides provenant du RE entrent par la face cis (face d’entrée) de la pile. Après avoir traversé la pile de citernes, la cargaison sort par la face trans, du côté opposé de la pile. On pense que les activités de tri membranaire et de transport du Golgi sont particulièrement élevées au niveau des faces cis et trans et au sein des éléments tubulaires-vésiculaires (zone non compacte) qui interconnectent les empilements (Fig. 21.18B).
Trois mécanismes proposés expliquent le transport des protéines cargo sécrétoires à travers l’appareil de Golgi (Fig. 21.20). Dans un modèle, les citernes qui composent l’empilement de Golgi sont des structures relativement stables et la cargaison sécrétoire transite de citerne en citerne à travers l’empilement dans des tubules ou des vésicules qui bourgeonnent d’une citerne et fusionnent avec la suivante. Le flux directionnel est réalisé par les protéines de la cargaison ayant une affinité préférentielle pour les membranes comprenant les intermédiaires de transport tubulaire/vésiculaire qui bourgeonnent du Golgi vers la membrane plasmique. Dans un deuxième mécanisme, appelé progression cisternale, la cargaison sécrétoire est transportée à travers la pile dans des citernes qui progressent continuellement. De nouveaux cisternes se forment sur la face cis de la pile par coalescence des VTC, puis progressent à travers la pile vers la face trans. Les molécules de la charge sécrétoire sont confinées dans une citerne donnée jusqu’à ce qu’elles passent de la face cis à la face trans et sortent de l’appareil de Golgi dans des transporteurs. La progression des cisternes est étayée par des études sur la levure, qui montrent que les marqueurs des cisternes de Golgi individuelles passent de formes précoces à des formes tardives au fil du temps. Des mesures cinétiques sur cellules vivantes de mammifères montrent que la cargaison sort du Golgi au cours d’un temps exponentiel, sans décalage. Cette constatation, ainsi que l’observation que les enzymes résidentes et la cargaison se répartissent dans des domaines distincts au sein de l’appareil de Golgi, en plus d’avoir des distributions qui se chevauchent, ont conduit à un troisième modèle de trafic de Golgi. Dans ce modèle, le partitionnement des protéines cargo dans des domaines lipidiques dépourvus d’enzymes de Golgi fournit un mécanisme pour leur exportation hors du Golgi (Fig. 21.20).
La taille, l’apparence et même l’existence de l’appareil de Golgi dépendent de la quantité et de la vitesse de déplacement des cargaisons par la voie sécrétoire. La levure Saccharomyces cerevisiae, par exemple, possède un appareil de Golgi peu développé car le transport sécrétoire est normalement trop rapide pour que des structures de Golgi élaborées s’accumulent. Cependant, les conditions qui ralentissent le transport des cargaisons hors de l’appareil de Golgi dans les cellules de levure conduisent à l’agrandissement de l’appareil de Golgi et à sa réorganisation en piles compactes similaires à celles observées dans la plupart des cellules animales et végétales.
L’appareil de Golgi est une structure cellulaire dynamique plutôt que permanente, car ses protéines et ses lipides se déplacent continuellement le long de diverses voies. Aucune classe de protéine de Golgi n’est associée de manière stable à l’intérieur de cet organite. Les protéines membranaires intégrales, y compris les enzymes de transformation et les SNARE, sortent et rentrent continuellement dans l’appareil de Golgi par des voies de trafic membranaire menant au RE ou le quittant. Les protéines membranaires périphériques associées à l’appareil de Golgi (y compris Arf1, coatomer, les protéines Rab, les protéines matricielles, les facteurs d’attache et les GEF) échangent constamment entre les membranes de Golgi et les bassins cytoplasmiques.
L’association transitoire et dynamique des molécules avec l’appareil de Golgi rend cet organite sensible aux fonctions de nombreux systèmes cellulaires. Par exemple, en l’absence de microtubules, l’appareil de Golgi des cellules de mammifères se déplace à proximité des sites d’exportation du RE (Fig. 21.19). Cela s’explique par le fait que les enzymes de Golgi qui sont continuellement recyclées vers le RE ne peuvent pas retourner à un emplacement centrosomal sans microtubules. Au lieu de cela, elles s’accumulent avec les protéines d’échafaudage, d’attachement et d’enveloppe structurelle du Golgi sur les sites de sortie du RE répartis dans le RE, formant des ministacks de Golgi.
L’AGB disperse l’appareil de Golgi par un mécanisme différent. Le médicament empêche Arf1 d’échanger le GDP pour le GTP (Fig. 21.5), empêchant ainsi la membrane de recruter les effecteurs Arf1 depuis le cytoplasme. En quelques minutes, les protéines transmembranaires résidentes du Golgi sont recyclées vers le RE où elles sont retenues, et l’appareil de Golgi disparaît. Si le BFA est retiré, l’appareil de Golgi se reforme par l’excroissance de la membrane à partir du RE.
L’appareil de Golgi se désassemble au cours de la mitose dans de nombreuses cellules eucaryotes, puis se réassemble en interphase (Fig. 21.21). Ce processus ressemble superficiellement aux effets de l’application et du lavage du BFA, puisque de nombreuses enzymes de Golgi retournent au RE ou aux sites de sortie du RE pendant la mitose et réapparaissent du RE à la fin de la mitose. Ce phénomène est déclenché à la fois par l’inactivation d’Arf1 et par la phosphorylation des facteurs de fixation/protéines de matrice de l’appareil de Golgi par les kinases mitotiques (voir chapitre 40) au cours de la mitose.
Bien que l’appareil de Golgi soit très dynamique et échange continuellement ses composants protéiques et lipidiques avec d’autres compartiments cellulaires, il conserve une identité biochimique et morphologique unique. Cela permet à l’appareil de Golgi de participer à plusieurs grandes voies de biosynthèse et de transformation dans la cellule, comme nous le verrons plus loin.
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