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Theses Year : 2019

GL-Lect Endocytosis in In-Vivo Model Systems

Endocytose dépendante des glycolipides et des lectines dans l'épithélium intestinal de souris

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Abstract

A host of endocytic pathways exist at the surface of eukaryotic cells, which lead to the internalization of the bulk of membranes along with membrane proteins, signaling receptors, growth factors, and other cargoes (Smith et al. 2017). For decades, the clathrin-mediated pathway has been the major well characterized endocytic process where clathrin polymerizes along with the associated adaptor proteins to include ligand-bound receptors, leading to membrane bending, membrane scission, and endocytosis (Smith et al. 2017). Recently, multiple alternative mechanisms have been uncovered which facilitate the endocytic uptake of cargo molecules and membrane receptors even in the absence of clathrin machinery (Mayor et al.2014). A model of endocytosis that doesn’t require clathrin but rather sugar-binding galectins and glycolipids has been proposed by my host laboratory (Lakshminarayan et al. 2014). Galectins constitute a family of beta-galactoside–binding lectins, which to date consists of 15 members in mammals. Galectins are broadly distributed in a variety of cells and tissues (Leffler et al. 2004). They are translocated from the cytosol to the extracellular space by a process of non-classical secretion (Hughes 1999). Glycosphingolipids (GSLs) are ubiquitous membrane constituents that are subdivided in neutral or acidic fractions. The term GSLs applies to compounds that contain at least one monosaccharide and a ceramide. Of note, the enzyme UDP-glucose ceramide glucosyltransferase (Ugcg) catalyzes the initial step for the biosynthesis of glycosylceramide-based GSLs.Our current working model, which involves glycolipids and lectins, was termed the GL-Lect hypothesis (Johannes et al. 2016). It is backed up by experimental data as described in Ref. (Lakshminarayan et al. 2014) and can be described as follows:i) Monomeric Gal3 binds to glycoproteinsii) Gal3 then starts to oligomerizeiii) Oligomerized Gal3 has the capacity to bind to glycosphingolipids and this may induce clustering of GSLsiv) Gal3-GSL cluster are inducing the invagination of the plasma membrane to generate tubular endocytic pits from which clathrin-independent carriers (CLICs, which are pre-early endosomes) are generated.Oligomeric Gal3 is indeed able to bind to GSLs and to induce membrane deformation (Lakshminarayan et al. 2014) in a similar way the pathogenic lectin Shiga toxin-B subunit (STxB) does. Therefore, both processes could be summarized under the same hypothesis, the GL-Lect hypothesis, where GL stands for the glycosphingolipids (Gb3 for STxB and gangliosides for Gal3) and Lect summarizes the lectins (STxB, Gal3 and possibly others as well).Understanding if this clathrin-independent but Gal3-dependent internalization mechanism is conserved not only in vitro model systems but in vivo is a main challenge in the field of trafficking.We characterized for the first time that in the gut a new mechanism facilitates endocytic uptake of cargo. This mechanism is driven by Galectin3 and operates in intestinal enterocytes for transcytosis like process and is glycosphingolipid dependent. Indeed, we have found that the lactotransferrin (LTF), a Gal3 cargo that we have identified by Mass spec, strongly required Gal3 and GSLs for its efficient endocytosis and its transcytosis like distribution pattern, respectively. Based on these findings in mouse intestinal epithelium, we established a functional in vivo model system where the newly proposed endocytic mechanism termed in our lab as GL-Lect, was physiologically investigated.
Une multitude de voies endocytiques existent à la surface de la membrane plasmique, ce qui conduit à l'endocytose de la majeure partie des membranes ainsi que de leurs protéines associées, des molécules de signalisation, des facteurs de croissance et autres cargos (Smith et al. 2017). Pendant des décennies, la voie majeure dite clathrine dépendante a été la plus étudiée, Cette voie d’endocytose se caractérise par la polymérisation de molécules de clathrine et de protéines adaptatrices au niveau de récepteurs liés à leurs ligands, entrainant la courbure de la membrane, avant sa scission et son endocytose (Smith et al. 2017). Récemment, plusieurs mécanismes alternatifs ont été découverts facilitant l'absorption endocytique des protéines cargo et des récepteurs membranaires, même en l'absence de la voie clathrine dépendante (Mayor et al.2014). Un modèle d'endocytose qui ne requiert pas de clathrine mais à la place des galectines et des glycolipides a été proposé par le groupe de Ludger Johannes (Lakshminarayan et al. 2014). Les galectines sont des lectines qui se lient aux bêta-galactosides et qui, à ce jour, regroupent 15 membres (galectine-1 à galectine-15) chez les mammifères et sont retrouvées dans de nombreux types de cellules et tissus (Leffler et al., 2004). Les galectines sont probablement sécrétées extra-cellulairement par une voie inconnue et non-classique (Hughes, 1999). Les glycosphingolipides (GSL) sont des constituants membranaires ubiquitaires, divisés en fractions neutres ou acides. Le terme GSL s'applique aux composés contenant au moins un monosaccharide et une céramide. Il est à noter que l’enzyme UDP-glucose céramide glucosyltransférase (Ugcg) catalyse l’étape initiale de la biosynthèse de GSLs à base de glycosylcéramides.Notre modèle de travail actuel, impliquant les glycolipides et les lectines, a été qualifié d'hypothèse GL-Lect (Johannes et al. 2016), et préliminairement soutenu par des données expérimentales comme décrit par Lakshminarayan et al. en 2014. Il peut être décrit comme suit:i)le monomère Gal3 se lie aux glycoprotéinesii) Gal3 commence alors à oligomériseriii) Gal3 oligomérisé a la capacité de se lier aux glycosphingolipides, ce qui peut induire la formation de clusters de GSLsiv). Ces clusters Gal3-GSL induisent une invagination de la membrane plasmique, une endocytose des protéines cargo liées à Gal3 et la formation subséquente de CLIC (clathrin-independent carriers ), endosomes pré-précoces.Selon ce modèle, l’oligomère Gal3 est capable de se lier aux GSLs et d’induire une déformation de la membrane de la même manière qu’une autre lectine, la sous-unité pathogène shiga toxine-B (STxB). Par conséquent, les deux processus pourraient être résumés sous la même hypothèse GL-Lect, où GL représente les glycosphingolipides (Gb3 pour STxB et des GSLs non identifiés pour Gal3) et Lect corresponds aux lectines (STxB, Gal3 et éventuellement d'autres). Comprendre si les voies d'internalisation indépendantes de la clathrine, mais dépendantes de la galectine 3, sont conservées, non seulement pour les modèles in vitro mais également in vivo, est un défi majeur dans le domaine du trafic cellulaire.Nous avons caractérisé, pour la première fois, un nouveau mécanisme dans l’intestin facilitant le transport endocytique d’un cargo. Ce mécanisme est conduit par la Galectine 3 et agit dans les entérocytes intestinaux dans le processus analogue de transcytose et dépend des glycosphingolipides. En effet, nous avons découvert que la lactotransferrine (LTF), un cargo de Gal3 que nous avons identifié par Mass spec, dépendait fortement de la Galectine3 pour son endocytose efficace, et des GSLs pour son mode de distribution analogue à la transcytose. Sur la base de ces découvertes dans l'épithélium intestinal de souris, nous avons établi un système modèle in vivo fonctionnel dans lequel le mécanisme endocytique récemment proposé, appelé dans notre laboratoire GL-Lect, a été étudié physiologiquement.
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tel-03883255 , version 1 (03-12-2022)

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  • HAL Id : tel-03883255 , version 1

Cite

Alena Ivashenka. GL-Lect Endocytosis in In-Vivo Model Systems. Molecular biology. Université Paris Saclay (COmUE), 2019. English. ⟨NNT : 2019SACLS420⟩. ⟨tel-03883255⟩
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