L'appareil de Golgi

Introduction

Faisant partie du système endomembranaire, cet organite a été découvert par Camillo Golgi en 1898 — prix Nobel de médecine en 1906 — grâce à une technique d'imprégnation chromo-argentique. Il le dénomma appareil réticulaire interne. On a longtemps discuté, voire contesté, qu'il s'agisse d'un réseau ; le perfectionnement des méthodes de préparation (cryodécapage) et de microscopie (MET à haut voltage) a confirmé sa structure en réseau. L'un de ses élèves constata que cet appareil peut être constitué de plusieurs éléments en forme de croissant, qu'il nomma DICTYOSOMES (du grec « dictyon », filet, et « soma », corps). L'appareil de Golgi est le centre de tri et de maturation de la cellule : toutes les protéines venues du réticulum y transitent, y sont modifiées, puis y reçoivent leur adresse — membrane plasmique, lysosome, sécrétion. La compréhension de ce tri est directement clinique : la mucolipidose de type II résulte d'un simple défaut d'étiquetage golgien des hydrolases, et le mucus des cellules caliciformes doit à l'appareil de Golgi ses protéoglycanes. Nous verrons sa morphologie, sa composition chimique, puis ses fonctions : modifications des oligosaccharides, O-glycosylation, sulfatation, phosphorylation du mannose, ségrégation et adressage, et enfin les flux membranaires qui le traversent.

I. Morphologie

A. En microscopie optique — exemple de la cellule acineuse du pancréas

• Coloration de routine (hématoxyline-éosine) : le cytoplasme prend une teinte rosée, à l'exception d'une région supranucléaire qui reste CLAIRE.
• Imprégnation à l'osmium, à un sel d'argent ou de chrome : elle révèle, dans cette région précédemment incolore, la présence de plaques superposées en forme d'écailles.
• Variations de position : l'appareil de Golgi est le plus souvent supranucléaire ; il peut être infranucléaire ; il est PÉRINUCLÉAIRE dans la majorité des cellules nerveuses.

B. En MET — une structure POLARISÉE

Un appareil de Golgi comprend un ou plusieurs dictyosomes, de forme généralement circulaire, de 0,5 à 1 μm de diamètre, chacun composé de :

• Des SACCULES APLATIS (3 à 6), disposés en pile d'assiettes. Chacun présente une face convexe et une face concave, et sa périphérie est souvent dilatée. L'ensemble présente une face convexe, dite face de FORMATION ou face CIS, et une face concave, dite face de MATURATION ou face TRANS.
• Chaque saccule est délimité par une membrane trilamellaire dont l'épaisseur AUGMENTE de la face cis à la face trans : de 6 nm à 7,5 nm.
• Des VÉSICULES d'environ 50 nm : vésicules de transition sur la face cis ; vésicules latérales, dont certaines sont des vésicules de transfert et d'autres des sections de canalicules reliant les dictyosomes entre eux ; vésicules de la face trans. La plupart de ces vésicules sont de type RECOUVERT.
• Des VACUOLES sur la face trans, se formant probablement par fusion de vésicules.

C. Les quatre régions fonctionnelles

Les techniques cytochimiques et cytoenzymologiques ont permis de subdiviser le dictyosome en quatre régions fonctionnellement différentes :

• Le Golgi-cis, le Golgi-médian, le Golgi-trans et le TGN (trans Golgi network) ou RTG (réseau trans-golgien).

D. Rapports avec les microtubules

• L'appareil de Golgi occupe une région paranucléaire, entre le RER et la MP, et sa face trans est en rapport avec le CENTROSOME.
• La désorganisation des microtubules par le taxol provoque la FRAGMENTATION de l'appareil de Golgi en de nombreuses petites vésicules, tandis que le RE vient occuper le centre cellulaire : les microtubules jouent donc un rôle STABILISATEUR.

II. Composition chimique

A. Les membranes — un gradient cis-trans

• La face trans ressemble donc à la membrane plasmique, dont elle constitue le fournisseur ; certaines de ces molécules y sont d'ailleurs simplement en transit.

B. Les enzymes propres à l'appareil de Golgi

• La phosphotransférase.
• La mannosidase.
• La N-acétyl-glucosamine transférase.
• La galactosyl transférase et la sialyl transférase, qui sont les enzymes de la TERMINAISON des glycosylations.
• Parmi les autres protéines, la KINÉSINE, associée aux microtubules.

III. Fonctions : les modifications post-traductionnelles

A. Modification des oligosaccharides N-liés

• Les premières étapes de la N-glycosylation ont lieu dans le RER ; elles se poursuivent dans l'appareil de Golgi, où certains sucres sont élagués et d'autres ajoutés. Le cœur de l'oligosaccharide est le plus souvent épargné. On parle de MATURATION des protéines.

B. O-glycosylation des protéines

Elle peut être étudiée par autoradiographie sur la cellule caliciforme, qui sécrète du mucus contenant des protéoglycanes.

• Un protéoglycane est formé d'un cœur (core) protéique et de glycosaminoglycanes (GAG). Un GAG est un long polymère NON RAMIFIÉ d'unités répétitives d'un disaccharide, branché sur l'oxygène d'une SÉRINE ou d'une THRÉONINE.
• Le précurseur cytosolique nucléotide-sucre (par exemple UDP-galactose) est transloqué dans la lumière du Golgi par un transporteur.
• Le GAG est ensuite lié à l'oxygène du résidu sérine ou thréonine par l'intermédiaire d'un TÉTRASACCHARIDE. La réaction est catalysée par une O-glycosyltransférase localisée dans les saccules MÉDIANS et TRANS.

C. Sulfatation des GAG et des protéines

• Le sulfate (SO₄²⁻) est apporté du cytosol par le PAPS (phospho-adénosine-phospho-sulfate) et traverse la membrane du Golgi trans grâce à un transporteur.

D. Phosphorylation du mannose

• Au niveau du Golgi CIS, un ou plusieurs mannoses des glycoprotéines (enzymes) destinées aux lysosomes sont phosphorylés sur le carbone 6.
• Le mannose-6-phosphate (M-6-P) représente le SIGNAL DE TRI vers le lysosome.

E. Désacylation et réacylation des lipides membranaires

• Des enzymes golgiennes remplacent les acides gras courts et insaturés par des acides gras plus longs et plus saturés : c'est ce qui explique que les membranes du Golgi trans — comme la MP — soient plus épaisses que celles du Golgi cis.

IV. Ségrégation et adressage des protéines

Les protéines synthétisées par les ribosomes du RER sont soit retenues dans le RER, soit véhiculées vers l'appareil de Golgi où elles sont modifiées. De là, elles peuvent avoir plusieurs destinées : endosomes, lysosomes, membrane plasmique, exportation. Cela nécessite des signaux de rétention et des signaux de tri.

A. Les signaux de rétention

• Les protéines dirigées vers l'appareil de Golgi et au-delà doivent être correctement configurées et repliées — sinon elles sont retenues dans le RER pour être corrigées ou détruites.
• KDEL (Lysine – acide aspartique – acide glutamique – Leucine) est une séquence de l'extrémité terminale des protéines SOLUBLES du RER. Elle n'empêche pas la protéine d'être transportée dans le Golgi cis, où elle est reconnue par un récepteur ; liée à celui-ci, la protéine est retournée au RE par flux en retour.
• KKXX (Lysine – Lysine – X – X, X étant n'importe quel acide aminé) est portée par le domaine CYTOSOLIQUE de certaines protéines TRANSMEMBRANAIRES du RER, dont l'extrémité N-terminale est luminale.

B. Les signaux d'adressage aux lysosomes

• Les hydrolases lysosomales sont transportées du RE vers le saccule cis, puis progressent vers le Golgi trans en subissant leur maturation — notamment la phosphorylation des mannoses.
• Dans le TGN, les hydrolases sont reconnues par des RÉCEPTEURS (M6P-R) et dirigées vers les lysosomes.

V. Les flux membranaires

Les transports se font par l'intermédiaire de vésicules recouvertes (VR).

A. Le flux vectoriel centrifuge (antérograde)

• Il assure le renouvellement des membranes — lipides et protéines — du RE, de l'appareil de Golgi, des endosomes, des lysosomes et de la membrane plasmique.
• Il assure le transport des protéines solubles et de certaines protéines sécrétées : RE → appareil de Golgi, puis endosomes → lysosomes, ou bien vers la MP par sécrétion CONSTITUTIVE ou sécrétion CONTRÔLÉE.

B. Les flux rétrogrades

• Golgi trans → Golgi cis → RE, par des vésicules recouvertes de COATOMÈRES (COP I).
• Endosomes ou lysosomes → Golgi trans / TGN.

C. La bréfeldine A

• Cette drogue produite par un champignon bloque plusieurs flux membranaires : elle empêche le bourgeonnement des vésicules recouvertes de coatomères et de clathrine à partir du Golgi trans / TGN, bloquant ainsi le flux vectoriel centrifuge.
• Elle est en revanche sans action sur certains flux rétrogrades, par exemple Golgi médian et cis → RE.

Conclusion

L'appareil de Golgi est une structure polarisée : sa face cis, de formation, reçoit les vésicules du réticulum ; sa face trans, de maturation, ressemble déjà à la membrane plasmique — membranes plus épaisses, plus riches en cholestérol et en glycolipides. Entre les deux, quatre régions successives — cis, médian, trans et TGN — se distinguent par leurs équipements enzymatiques et réalisent la maturation des protéines : élagage et addition de sucres, O-glycosylation, sulfatation, remodelage des lipides. Sa fonction essentielle reste le TRI. Deux signaux sont à retenir : KDEL et KKXX, qui ramènent au réticulum les protéines qui n'auraient pas dû en sortir, et le mannose-6-phosphate, apposé dans le Golgi cis, qui adresse les hydrolases aux lysosomes depuis le TGN. Ce sont précisément ces lysosomes, et le compartiment endosomal qui les alimente, que nous étudierons dans le chapitre suivant.