Les filaments ESCRT-III reconnaissent les lipides PIP2 pour conduire le remodelage membranaire

La voie ESCRT (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport) est un système maître de remodelage membranaire responsable de la formation de vésicules endosomales, de l'abscission cytokinétique, de la fermeture de l'enveloppe nucléaire, de la réparation des membranes endommagées et du bourgeonnement des virus enveloppés. Pour opérer dans des sites cellulaires aussi variés, les complexes ESCRT doivent être ciblés avec précision, un processus longtemps considéré comme dépendant principalement des complexes ESCRT-I et ESCRT-II à action précoce, qui lisent les signatures lipidiques de phosphatidylinositol phosphate (PIP) spécifiques aux organites. Cette étude révèle que les sous-unités ESCRT-III, situées en aval et formant des filaments, peuvent elles-mêmes reconnaître directement les lipides PIP2, ajoutant ainsi une nouvelle couche à la logique de ciblage et d'activation de cette voie.

L'équipe s'est concentrée sur deux protéines ESCRT-III humaines, IST1 et CHMP1A, en les incubant avec des liposomes chimiquement définis contenant 5 % de diverses espèces de PIP. La tubulation membranaire a été quantifiée par microscopie électronique à coloration négative. Les deux protéines ont montré une tubulation considérablement accrue en présence de PIP diphosphorylés — PI(4,5)P2 et PI(3,5)P2 — par rapport aux PIP monophosphorylés ou à l'absence de PIP. Le PI(3,4,5)P3 et le PI(4)P avaient des effets intermédiaires, tandis que le PI(3)P et les contrôles sans PIP montraient une tubulation minimale. La stimulation par le PIP2 s'est avérée robuste pour différentes compositions de chaînes acyles, bien que le PI(4,5)P2 d'origine cérébrale (avec des chaînes acyles naturelles mixtes) ait surpassé les lipides synthétiques d'espèce unique, indiquant que le contexte des chaînes acyles joue un rôle.

L'analyse structurale par cryo-EM a révélé la base moléculaire de deux mécanismes de tubulation fondamentalement différents. IST1, adoptant sa conformation « fermée », se polymérise en nanotubes à 8 brins qui n'enveloppent qu'une monocouche membranaire. À la jonction de chaque groupe de trois sous-unités IST1, une poche électrostatique basique se forme et coordonne précisément le groupement tête inositol exposé du PI(4,5)P2 ou du PI(3,5)P2, avec un ajustement structural minimal entre les isomères — ce qui explique la promiscuité entre ces deux espèces de PIP2. CHMP1A, en revanche, adopte une conformation « ouverte » et s'assemble en hélices à un départ qui enveloppent une bicouche lipidique complète. Ses groupements tête PI(4,5)P2 sont liés sur une surface basique s'étendant sur des sous-unités adjacentes au sein du protofilament, une géométrie de liaison fondamentalement différente. Ces deux architectures élargissent le répertoire structural connu des polymères ESCRT-III.

Ces résultats ont de larges implications pour comprendre comment la fonction ESCRT est régulée spatialement dans la cellule. Plutôt que de reposer uniquement sur des complexes à action précoce pour lire les codes PIP, les filaments ESCRT-III eux-mêmes peuvent être stimulés par le PIP2 pour nucléer et croître, ce qui suggère que les membranes riches en PIP2 accélèrent activement l'assemblage d'ESCRT-III et le remodelage membranaire. Cela est particulièrement pertinent pour la cytokinèse, où le PI(3,4)P2 (qui recrute ESCRT-II) et le PI(4,5)P2 s'accumulent tous deux dans le midbody, ainsi que pour la réparation des membranes lysosomales où le PI(3,5)P2 est prédominant. La capacité d'une seule poche de liaison basique à accommoder les deux isomères de PIP2 avec un réarrangement minimal pourrait permettre à ESCRT-III de fonctionner de manière flexible dans de multiples organites sans nécessiter de domaines spécifiques à chaque isomère.

Ce travail fournit la première visualisation à résolution atomique de la liaison de lipides PIP spécifiques par des filaments ESCRT-III définis, comblant ainsi une lacune de longue date dans la compréhension mécanistique du ciblage membranaire et de l'activation d'ESCRT.