Endosomes, lysosomes et peroxysomes

Introduction

Les endosomes, les lysosomes et les peroxysomes forment l'appareil de digestion et de détoxification de la cellule. Les deux premiers appartiennent au système endomembranaire et prolongent la voie qui part du réticulum endoplasmique et traverse l'appareil de Golgi : ils reçoivent du TGN les hydrolases qu'ils vont utiliser. Le peroxysome, lui, est un organite indépendant du système endomembranaire : ses protéines viennent des ribosomes libres du cytosol. L'intérêt de ce chapitre est directement clinique. Toute la cellule vit d'un équilibre entre synthèse et destruction : quand la destruction échoue, les substrats s'accumulent. C'est le mécanisme des maladies de surcharge (maladies de Pompe, de Niemann-Pick, de Gaucher, de Fabry), de la mucolipidose de type II, des pneumoconioses du mineur, et des 17 maladies peroxysomales dont 15 atteignent le système nerveux central. La découverte même du lysosome est un modèle de démarche biochimique : elle vaut à De Duve le prix Nobel de médecine. Nous suivrons le trajet du substrat : d'abord les endosomes, plaque tournante de l'endocytose ; puis le lysosome, site principal de la digestion intracellulaire, sa morphologie, sa chimie, sa formation, ses fonctions et sa pathologie ; enfin le peroxysome, spécialisé dans le métabolisme du peroxyde d'hydrogène.

I. Les endosomes

Compartiment endomembranaire hétérogène, fait de cavités tubulo-vésiculaires. Il est alimenté par des vésicules provenant du Golgi trans / TGN, et il est lui-même à l'origine de vésicules destinées d'une part aux lysosomes, d'autre part à la membrane plasmique. De cette dernière, il reçoit les vésicules nées par endocytose. Sur le plan morpho-fonctionnel, on distingue endosomes précoces et endosomes tardifs.

A. Les endosomes précoces

• Distribution PÉRIPHÉRIQUE, à proximité de la membrane plasmique.
• Ils reçoivent les vésicules d'endocytose. Après fusion, le contenu de la vésicule est versé dans l'endosome, dont le pH ≈ 6,5 est suffisant pour dissocier le ligand de son récepteur dans le cas d'une endocytose par l'intermédiaire d'un récepteur.
• Les récepteurs peuvent être RECYCLÉS vers la membrane plasmique par des vésicules en retour.

B. Les endosomes tardifs

• Distribution PÉRINUCLÉAIRE, près du noyau.
• Le contenu de l'endosome précoce leur est transporté par des vésicules ECV (endosomal carrier vesicle) ou par des MVB (multivesicular body, corps multivésiculaire).
• Leur pH ≈ 5,5 est intermédiaire entre celui de l'endosome précoce (6,5) et celui du lysosome (5,0).
• L'endosome tardif reçoit du Golgi des hydrolases et des H⁺-ATPases, et peut évoluer vers le lysosome.

Fonction commune : les endosomes assurent la dégradation PARTIELLE des protéines et des lipides, dégradation qui pourra se poursuivre dans le lysosome.

C. Application — la fin du trajet des particules de LDL

• La vésicule recouverte, après avoir perdu sa couverture de clathrine, est transportée vers un endosome précoce avec lequel elle fusionne. Le pH ≈ 6,5 y dissocie le ligand de son récepteur ; le récepteur retourne à la membrane plasmique où il servira à un nouveau transport.
• L'endosome précoce devient endosome tardif en recevant des hydrolases lysosomales : c'est le lieu de la dégradation des particules de LDL, avec libération de cholestérol dans la lumière de l'endolysosome (pH 5,0). Le cholestérol est ensuite incorporé aux membranes.

II. Les lysosomes — morphologie

Organites cytoplasmiques contenant des hydrolases acides, enzymes actives à un pH ≈ 5,0, qui catalysent la réaction : AB + H₂O → AH + BOH. Ce sont les principaux sites de digestion intracellulaire. Contrairement à la majorité des autres organites, leur découverte est d'ordre BIOCHIMIQUE et non morphologique : on la doit à De Duve (1951), prix Nobel de médecine.

A. En microscopie optique

• Les lysosomes ne s'observent qu'exceptionnellement, dans certains types cellulaires seulement, comme les globules blancs : granulations azurophiles et granulations éosinophiles.

B. En MET

• Formations arrondies ou ovalaires, parfois à limite irrégulière, de 0,1 à 1 μm de diamètre.
• Entourées d'une membrane de 7,5 nm.
• Contenu dense, homogène ou hétérogène selon l'état fonctionnel et le type cellulaire.

Le critère morphologique est bien souvent INSUFFISANT pour identifier un lysosome : on a alors recours à la cytochimie.

C. Identification cytochimique — la phosphatase acide

La mise en évidence d'une activité phosphatasique acide permet d'affirmer le caractère lysosomal d'un organite. Le protocole est le suivant :

• Les fragments de tissu sont fixés puis incubés dans un tampon à pH 5,0 contenant du β**- glycérophosphate** (substrat de la phosphatase acide) et du nitrate de plomb.
• En présence de la phosphatase acide localisée dans l'organite, le β-glycérophosphate donne du glycérol + de l'acide phosphorique.
• Ni le glycérol ni l'acide phosphorique ne sont visibles : d'où l'ajout de nitrate de plomb, qui donne avec l'acide phosphorique un précipité de PHOSPHATE DE PLOMB, ÉLECTRODENSE, donc visible en MET.

III. Constitution chimique du lysosome

L'analyse de fractions lysosomales obtenues par ultracentrifugation différentielle donne les résultats suivants.

A. La membrane lysosomale

Rapport lipides / protéines ≈ 1.

• Lipides : des phospholipides principalement, avec plus de cholestérol et de sphingolipides que dans les membranes du RE et de l'appareil de Golgi.
• Une trentaine de glycoprotéines, dont les sucres forment une couche périphérique INTERNE : véritable protection contre le pH acide et les hydrolases. La tunicamycine, qui bloque la glycosylation, entraîne une diminution importante de la demi-vie des lysosomes — preuve expérimentale du rôle protecteur de cette couche.
• LAMP I et LAMP II, protéines spécifiques du lysosome dont elles constituent les marqueurs.
• Des glycoprotéines enzymatiques transmembranaires, comme la phosphatase acide.
• Une H⁺-ATPase, qui maintient l'acidité de la lumière.
• Des transporteurs des substrats cytosoliques à digérer, appartenant à la superfamille ABC (ATP binding cassette).
• Des transporteurs vers le cytosol des produits de digestion : acides aminés, cholestérol, monosaccharides…

B. La matrice lysosomale

Elle contient un grand nombre de glycoprotéines enzymatiques, les hydrolases, dont on connaît une quarantaine :

• Protéases, glycosidases, lipases, phospholipases, sulfatases, nucléases.

IV. Les différents lysosomes et leur mode de formation

Tous les composants du lysosome sont apportés par des vésicules qui bourgeonnent au niveau du TGN, les vésicules prélysosomales, recouvertes de CLATHRINE. Celles-ci fusionnent ensuite avec des vésicules ou des vacuoles d'origines diverses — d'où quatre voies et autant de types de lysosomes.

• L'autophagie permet à la cellule de se débarrasser d'éléments usés, abîmés ou inutiles (notamment en cas de baisse d'activité). Ces éléments sont isolés du reste du cytosol par un compartiment membranaire provenant du REL, aboutissant à une vacuole autophagique.
• L'entrée directe de protéines : certaines protéines ubiquitinylées, partiellement dégradées dans le cytosol par les protéasomes, pénètrent dans le lysosome. Un jeûne prolongé peut provoquer cette voie de dégradation.

V. Fonctions des lysosomes

Les modes de formation étant divers, les substrats ont des origines variées. Précisons que dans la majorité des cas la digestion est INTRACELLULAIRE : le contenu des lysosomes ne subit pas d'exocytose.

A. L'autophagie

Digestion des constituants propres de la cellule : organites usés, abîmés ou devenus inutiles (voir ci-dessus).

B. L'hétérophagie

C'est la digestion de substances importées par la cellule par voie d'endocytose ou de phagocytose.

• L'endocytose, phénomène permanent, représente la voie principale d'importation (cholestérol, ferritine pour les précurseurs des globules rouges…).
• La phagocytose est, dans les conditions physiologiques, l'apanage de cellules « professionnelles » : les macrophages, les polynucléaires neutrophiles, et dans une moindre mesure les polynucléaires éosinophiles — cellules spécialisées dans la défense de l'organisme (bactéries, parasites).
• Destruction de protéines réabsorbées à partir du plasma par certaines cellules : hépatocyte, cellules des tubes rénaux.

C. Devenir des produits de dégradation — les corps résiduels

La dégradation aboutit d'une part à la libération dans le cytosol de molécules simples via des transporteurs spécifiques, d'autre part à l'accumulation de produits non dégradés ou non dégradables, des « déchets » : ce sont les CORPS RÉSIDUELS. Leur contenu est variable : ferritine, figures myéliniques, lipofuscine, ou encore un corps étranger.

• Les figures myéliniques résultent de la dégradation des phospholipoprotéines des membranes. Leur degré de digestion dépend de la quantité d'enzymes : les protéases sont habituellement en quantité suffisante, mais pas les lipases, de sorte qu'une partie des lipides n'est pas digérée. Or les lipides membranaires forment spontanément des couches moléculaires parallèles ou concentriques, d'où cet aspect rappelant la gaine de myéline. Ce sont des résidus des AUTOLYSOSOMES.
• Les lipofuscines sont des pigments BRUNS résultant de la non-dégradation des lipides en particulier. Souvent expulsées, elles s'accumulent parfois dans le cytoplasme des cellules sénescentes (certains neurones) ou altérées.

D. Sécrétion d'enzymes dans le milieu extracellulaire

Deux exceptions remarquables à la règle de la digestion intracellulaire :

• Le spermatozoïde. L'acrosome, qui provient de la fusion de plusieurs granules pré-acrosomiaux, contient de nombreuses hydrolases : hyaluronidase, sialidase et phosphatase acide. L'ovocyte est entouré de la zone pellucide, riche en acide hyaluronique, que le spermatozoïde ne peut franchir que si elle est fluidifiée. Cela a lieu dans les instants qui précèdent la fécondation, par rupture des acrosomes d'un grand nombre de spermatozoïdes libérant leurs hydrolases au niveau de la zone pellucide.
• La résorption osseuse. Le renouvellement osseux exige la destruction de l'os ancien. L'OSTÉOCLASTE, cellule de la famille du macrophage, est spécialisé dans cette résorption : il déverse le contenu de ses lysosomes dans le milieu extracellulaire.

En résumé, le lysosome intervient dans : la NUTRITION cellulaire ; le RENOUVELLEMENT des molécules membranaires, cytosoliques et des organites ; les phénomènes de DÉFENSE ; la SÉCRÉTION d'enzymes (spermatozoïde, ostéoclaste).

VI. Lysosomes et pathologie

A. Atteintes de la MEMBRANE

La membrane est rompue par le contenu du phagolysosome.

• Particules de silice, d'étain, de zinc. Ce sont principalement les maladies des mineurs et des tailleurs de pierre, qui inhalent des poussières de charbon ou de silice. Les particules sont phagocytées par les macrophages alvéolaires (phagosome → phagolysosome) ; ne pouvant être dégradées, elles s'accumulent et rompent la membrane des lysosomes, qui déversent leurs enzymes dans le cytosol et tuent le macrophage. D'autres macrophages phagocytent à nouveau les particules libérées, et ainsi de suite. Le processus, ainsi auto-entretenu, aboutit à la destruction progressive des alvéoles pulmonaires, remplacées par du tissu fibreux : c'est la cause de l'insuffisance pulmonaire.
• Les streptococcies, maladies infectieuses : ces bactéries provoquent une lyse de la membrane des lysosomes.

B. Atteinte du CONTENU — les maladies de surcharge

Souvent génétiques, parfois acquises. Les formes génétiques sont dues à une ou plusieurs hydrolases absentes ou défectueuses, par mutation des gènes responsables. Les molécules non hydrolysées s'accumulent dans les lysosomes, qui se chargent de plus en plus de substrats non dégradés — d'où le nom de maladies de surcharge ou THÉSAURISMOSES — et finissent par s'hypertrophier, entraînant de graves perturbations du fonctionnement cellulaire. Les manifestations cliniques dépendent de la ou des enzymes atteintes. On a identifié une vingtaine de maladies.

C. Cas particulier — la mucolipidose de type II

• Affection rare, caractérisée par l'absence de la quasi-totalité des hydrolases lysosomales DANS LES FIBROBLASTES, alors qu'elles sont présentes DANS LE SANG.
• L'anomalie est due à l'absence de PHOSPHORYLATION DU MANNOSE (M6P) dans l'appareil de Golgi. Non reconnues par les récepteurs au M6P au niveau du TGN, les hydrolases sont dirigées PAR DÉFAUT vers les vésicules de sécrétion — et donc sécrétées au lieu d'être adressées au lysosome.
• L'accumulation des substrats dans les lysosomes a de graves conséquences pathologiques.

VII. Le peroxysome

Organite cytoplasmique présent dans toutes les cellules eucaryotes, de la levure à l'homme. Il intervient dans le métabolisme des lipides, l'hydroxylation de molécules, la respiration cellulaire, et la production puis la dégradation du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) — d'où son nom.

A. Morphologie

• En MET : formes et tailles variables, de 0,15 à 0,5 μm.
• Les coupes sériées montrent qu'il s'agit de particules entourées d'une membrane, RELIÉES PAR DES CANALICULES.
• Contenu généralement finement granuleux, avec parfois une structure PARACRISTALLINE.
• Le nombre varie selon le type cellulaire : un hépatocyte en contient environ 1 000.

B. Composition chimique

La membrane contient des phospholipides et des protéines, parmi lesquelles :

• Le cytochrome P450, dont le site catalytique est sur la face CYTOSOLIQUE.
• Un transporteur ABC.

La matrice contient de nombreuses enzymes, de deux grandes catégories :

• Les OXYDASES, qui utilisent l'O₂ pour produire du H₂O₂. On y trouve les enzymes de la β**-oxydation des acides gras à CHAÎNE LONGUE (≥ 22 C)**, avec production de H₂O₂, d'acides gras à chaîne courte (≤ 12 C) et d'acétyl-CoA, tous deux transférés à la mitochondrie ; ainsi que les enzymes d'oxydation de certains acides aminés.
• La CATALASE, présente en grande quantité, qui utilise le H₂O₂ pour oxyder (peroxydation) de nombreux substrats comme l'acide formique ou les alcools : H₂O₂ + RH₂ → R + 2 H₂O.

Le peroxysome intervient en outre dans des réactions de DÉTOXIFICATION, grâce à un cytochrome P450 spécifique dont le site actif est cytosolique.

C. Multiplication des peroxysomes

À côté de leur renouvellement à partir des molécules synthétisées dans le cytosol, l'accroissement de leur nombre se fait de deux manières :

• Par BOURGEONNEMENT DU RE.
• Par DIVISION de peroxysomes préexistants — démontrée par l'utilisation de protéines marquées.

D. Peroxysome et pathologie

• Chez l'homme, 17 maladies génétiques RÉCESSIVES en rapport avec le peroxysome ont été répertoriées, dont 15 se traduisent par une atteinte du SNC. Moins d'un nouveau-né sur 50 000 est atteint.
• Groupes A et B : absence de nombreuses enzymes. Ce sont des maladies infantiles habituellement mortelles au cours de la première décennie.
• Groupe C : absence d'une SEULE enzyme. Une de ces maladies est présente chez l'adulte.

VIII. Tableau comparatif

Conclusion

Endosomes, lysosomes et peroxysomes constituent l'appareil catabolique de la cellule. Les deux premiers sont les terminus du système endomembranaire : l'endosome précoce (pH 6,5, périphérique) dissocie ligands et récepteurs et recycle ces derniers ; l'endosome tardif (pH 5,5, périnucléaire) reçoit du TGN les hydrolases et mûrit en lysosome (pH 5,0). Le lysosome, découvert biochimiquement par De Duve, se reconnaît non par sa forme — trop variable — mais par sa phosphatase acide en cytochimie et par ses marqueurs LAMP I et LAMP II. Ses quatre modes de formation — endocytose, phagocytose, autophagie, entrée directe — définissent ses quatre fonctions : nutrition, renouvellement, défense et, exceptionnellement, sécrétion extracellulaire. Le peroxysome se distingue sur tous les plans : hors du système endomembranaire, ses protéines viennent des ribosomes libres, il se multiplie par bourgeonnement du RE et par division, et son métier est le peroxyde d'hydrogène — produit par les oxydases lors de la β-oxydation des acides gras à longue chaîne, consommé par la catalase pour oxyder alcools et autres substrats. La pathologie de ces organites illustre une même leçon : une cellule qui ne sait plus détruire se remplit et meurt. Le chapitre suivant, consacré au compartiment cytosolique et aux protéasomes, présentera la seconde grande voie de dégradation, celle des protéines ubiquitinylées — voie non membranaire, complémentaire de la voie lysosomale que nous venons de décrire.