How ArfGAP1 recognizes membrane curvature
La reconnaissance de la courbure membranaire par ArfGAP1
Résumé
The COPI coat drives the budding of small vesicle from Golgi apparatus. After being recruited by membrane-bound Arf1-GTP, the COPI coat subunits (Coatomer) polymerise, and shape mechanically the lipid membrane into a spherical structure. Then, GTP hydrolysis in Arf1 is required for the disassembly of the COPI coat, but this reaction must be finely tuned to permit coat disassembly only after vesicle formation. ArfGAP1 is a cytosolic protein that associates in dynamic manner with the Golgi apparatus, and controls the cycling of COPI coat on membranes by catalyzing GTP hydrolysis on Arf1. Results from our lab indicated that the activity of ArfGAP1 is highly sensitive to membrane curvature. Thus a negative feed-back loop was suggested, where COPI assembly drives membrane curvature, which in turn prepares the coat for disassembly by recruiting ArfGAP1, thereby promoting GTP hydrolysis in Arf1.
During my thesis, I found that two motifs in the central region of ArfGAP1 act as lipid-packing sensors and help anchor ArfGAP1 at the surface of highly curved membrane. These “ALPS” motifs, which are not structured in solution, adopt an amphipathic helical structure on curved membranes. These helices contrast from classical membrane-adsorbing helices in the abundance of serine and threonine residues and the paucity of charged residues in their polar faces. Because these residues cannot make electrostatic interaction with lipid polar heads, the adsorption of ALPS motifs is driven solely by the insertion of hydrophobic residues between lipids and is thus strongly favored by the creation of lipid packing defects such as those introduced by high membrane curvature.
During my thesis, I found that two motifs in the central region of ArfGAP1 act as lipid-packing sensors and help anchor ArfGAP1 at the surface of highly curved membrane. These “ALPS” motifs, which are not structured in solution, adopt an amphipathic helical structure on curved membranes. These helices contrast from classical membrane-adsorbing helices in the abundance of serine and threonine residues and the paucity of charged residues in their polar faces. Because these residues cannot make electrostatic interaction with lipid polar heads, the adsorption of ALPS motifs is driven solely by the insertion of hydrophobic residues between lipids and is thus strongly favored by the creation of lipid packing defects such as those introduced by high membrane curvature.
La formation d'un bourgeon vésiculaire repose sur une machinerie complexe qui déforme, par une action mécanique, une membrane plane en une membrane courbée. Le manteau COPI, responsable de ce phénomène dans le Golgi, se polymérise latéralement à la surface de la membrane, sous le contrôle de la petite protéine G Arf1 activée. Suite à la formation de la vésicule, Arf1 revient à l'état inactif par hydrolyse de son GTP et se dissocie de la membrane, provoquant alors le désassemblage du manteau. Cette réaction d'hydrolyse doit être finement régulée, pour ne pas intervenir trop tôt et compromettre l'assemblage du manteau. Notre laboratoire a révélé que l'activité de la protéine ArfGAP1, responsable de la désactivation d'Arf1, est hypersensible à la courbure membranaire. Ceci permettrait à ArfGAP1 de réguler de manière spatio-temporelle l'état du manteau COPI en couplant son désassemblage à la courbure membranaire qu'il a lui-même induite.
Au cours de ma thèse, j'ai montré que la dépendance d'ArfGAP1 à la courbure s'explique par la présence dans cette protéine de deux motifs « ALPS », qui se replient en hélices alpha lors de leur adsorption membranaire. Ce sont des hélices amphipathiques atypiques car, si elles possèdent une face hydrophobe classique, elles ont une face polaire riche en sérine et thréonine et pauvre en résidus chargés. Puisque ces résidus hydroxylés ne peuvent interagir avec les têtes polaires des lipides, la liaison d'un motif ALPS ne repose que sur l'insertion de ses résidus hydrophobes entre les lipides, ce qui est favorisé par l'écartement lipidique induit par la courbure membranaire, mais plus difficile sur membrane plane où les lipides sont plus compactés.
Au cours de ma thèse, j'ai montré que la dépendance d'ArfGAP1 à la courbure s'explique par la présence dans cette protéine de deux motifs « ALPS », qui se replient en hélices alpha lors de leur adsorption membranaire. Ce sont des hélices amphipathiques atypiques car, si elles possèdent une face hydrophobe classique, elles ont une face polaire riche en sérine et thréonine et pauvre en résidus chargés. Puisque ces résidus hydroxylés ne peuvent interagir avec les têtes polaires des lipides, la liaison d'un motif ALPS ne repose que sur l'insertion de ses résidus hydrophobes entre les lipides, ce qui est favorisé par l'écartement lipidique induit par la courbure membranaire, mais plus difficile sur membrane plane où les lipides sont plus compactés.