Trafic endocytique et ciblage intracellulaire

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Ludger Johannes Directeur d'unité, DR1 INSERM Tél :

Nous étudions la biologie cellulaire de protéines liant des glucides (protéines dites lectines) au niveau de l’entrée cellulaire par l’endocytose, de la voie du transport rétrograde et de la translocation vers le cytosol. Nous cherchons également à exploiter la spécificité de reconnaissance des glucides par les lectines et le potentiel de mécanique membranaire qui résulte de la réorganisation de glycolipides pour le développement de stratégies innovatrices pour la thérapie contre le cancer et les maladies infectieuses.

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Figure 1 : Modèle pour la construction de puits endocytiques induite par la galectine-3 dans la voie de biogénèse des CLICs (clathrin-independent carriers). La galectine-3 monomérique s’associe aux membranes par la liaison à des protéines cargos glycosylées, comme le CD44 et la β1-integrin. Une fois sur la membrane, la galectine-3 s’oligomérise, ce qui résulte en sa capacité de d’interagir avec les glycosphingolipides. La co-clustérisation de protéines cargos glycosylées et de glycosphingolipides génère du stress mécanique auquel la membrane répond en formant des puits endocytiques sans l’intervention de la machinerie cytosolique de la clathrine. Dans ce modèle, la galectine-3 fonctionne comme un adaptateur endocytique. De Lakshminarayan et al., 2014, Nature Cell Biology 16: 595-606.

L’équipe « Trafic Endocytique et Ciblage Intracellulaire » étudie la biologie cellulaire de protéines liant des glucides (protéines dites lectines) au niveau de l’entrée cellulaire par endocytose indépendante de la clathrine, du tri rétrograde sur les endosomes précoces, et de la translocation membranaire dans vers cytosol. Nous avons émis l’hypothèse que certaines lectines clustérisent des protéines cargo glycosylées et des glycosphingolipides dans des nanoenvironnements à partir desquels des puits endocytiques sont formées sans l’aide de la machinerie cytosolique de la clathrine (Figure 1). Nos efforts actuels ciblent la compréhension des mécanismes moléculaires et des fonctions cellulaires de ce nouveau concept dans le domaine de la biologie des membranes, notamment en utilisant des outils de chimie biologique afin de reconstruire ce processus (biologie synthétique). Un autre volet de notre travail s’inscrit dans la continuité de notre découverte de l’interface de trafic membranaire entre endosomes précoces et le réseau trans-golgien (Figure 2). Nous visons désormais à découvrir des liens moléculaires et fonctionnels entre la construction de nanoenvironnements endocytiques au niveau de la membrane plasmique et tri rétrograde sur les endosomes précoces.

Figure 2 : Tri rétrograde sur les endosomes précoces. Le tri rétrograde pour le trafficking des endosomes vers l'appareil de Golgi peut opérer à différents niveaux de la voie endocytique (endosomes précoces, tardives ou de recyclage). Avec l’aide de protéines adaptatrices comme AP-1 et epsinR, d'autres protéines comme la clathrine, le retromer ou TIP47 facilitent la formation d'intermediates de transport contenant des protéines cargos (retrograde sorting). La dynamine et des protéines du métabolisme lipidique comme OCRL1 contribuent à ce processus. Les protéines cargos de la voie rétrograde semblent pouvoir emprunter différentes routes à travers les compartiments endosomaux. L’attachement et la fusion de intermédiaires du transport rétrograde avec les membranes du réseau trans-golgien dépendent de très nombreux facteurs, qui varient selon les protéines cargos et la nature du compartiment endosomal ayant servi de compartiment donneur. Par exemple, des complexes SNARE autour de syntaxin 5 et syntaxin 16/syntaxin 6 sont requis spécifiquement pour la voie rétrograde des endosomes précoces, alors qu’un complexe SNARE autour de syntaxin 10 mène à la fusion des intermédiaires qui transportent des récepteurs au mannose-6-phosphate des endosomes tardifs au réseau trans-golgien.
Figure 2 : Tri rétrograde sur les endosomes précoces. Le tri rétrograde pour le trafficking des endosomes vers l’appareil de Golgi peut opérer à différents niveaux de la voie endocytique (endosomes précoces, tardives ou de recyclage). Avec l’aide de protéines adaptatrices comme AP-1 et epsinR, d’autres protéines comme la clathrine, le retromer ou TIP47 facilitent la formation d’intermediates de transport contenant des protéines cargos (retrograde sorting). La dynamine et des protéines du métabolisme lipidique comme OCRL1 contribuent à ce processus. Les protéines cargos de la voie rétrograde semblent pouvoir emprunter différentes routes à travers les compartiments endosomaux. L’attachement et la fusion de intermédiaires du transport rétrograde avec les membranes du réseau trans-golgien dépendent de très nombreux facteurs, qui varient selon les protéines cargos et la nature du compartiment endosomal ayant servi de compartiment donneur. Par exemple, des complexes SNARE autour de syntaxin 5 et syntaxin 16/syntaxin 6 sont requis spécifiquement pour la voie rétrograde des endosomes précoces, alors qu’un complexe SNARE autour de syntaxin 10 mène à la fusion des intermédiaires qui transportent des récepteurs au mannose-6-phosphate des endosomes tardifs au réseau trans-golgien.

 

Nous avons également commencé à exploiter la spécificité de reconnaissance des glucides par les lectines et le potentiel de mécanique membranaire qui résulte de la réorganisation de glycosphingolipides pour le développement de stratégies innovatrices pour la thérapie contre le cancer et les maladies infectieuses. Nous avons validé une des deux parties de la toxine de Shiga, la sous-unité B qui est elle non toxique et responsable de la liaison au récepteur cellulaire (le glycosphingolipide Gb3), en tant qu’outil de ciblage intracellulaire pour l’immunothérapie anticancéreuse. Actuellement nous sommes en train de construire des prototypes de vaccination thérapeutiques contre le cancer du sein et ORL. Nous examinons également les mécanismes qui permettent la translocation endosomal d’antigènes vers le cytosol dans les cellules dendritiques, menant à la présentation croisée aux lymphocytes T cytotoxiques CD8+.

Biosketch

Ludger Johannes (PhD) is Research Director (DR1) at INSERM. Since the beginning of his biochemistry undergraduate studies in 1987, he is member of the Studienstiftung des Deutschen Volkes (German organization of the academically gifted), and since 1993 of Boehringer Ingelheim Fonds. Between 2001 and 2013, he directed the Traffic, Signaling and Delivery Group in the Cell Biology Department (UMR144 CNRS) of Institut Curie. Since January 2014, he is heading the Chemical Biology of Membranes and Therapeutic Delivery unit (U1143 INSERM — UMR3666 CNRS). His research aims at establishing fundamental concepts of endocytosis and intracellular trafficking. The Johannes group has made two major contributions in this context: the discovery of a membrane trafficking interface between early endosomes and the Golgi apparatus, and the demonstration that dynamic protein-induced glycosphingolipid reorganization acts as a driving force for membrane invagination in clathrin-independent endocytosis. These studies are well cited and have been published in several high-ranking journals, including Cell, Nature, Nature Cell Biology, Developmental Cell, and The Journal of Cell Biology. He also aims at exploiting these discoveries in fundamental membrane biology research for the development of innovative cancer therapy strategies. His basic studies have allowed him to validate the B-subunit of Shiga toxin (STxB) as a « pilot » for the delivery of therapeutic compounds to precise intracellular locations of dendritic and tumor cells (10 patent families, 5 of which are delivered in the US, Europe and other countries). These findings are the basis for a translational research program on intracellular delivery at the Curie Institute, and for the creation of biotech companies. Ludger Johannes serves on editorial boards of several international journals (including PLoS One and Traffic), and is EMBO member since 2012. His group is member of LabEx CelTisPhysBio, and he currently holds an ERC senior grant (2014-2019).

Key publications

Simunovic M, Manneville JB, Renard HF, Evergren E, Raghunathan K, Bhatia D, Kenworthy AK, Voth GA, Prost J, McMahon H, Johannes L, Bassereau P, Callan-Jones A (in press) Friction mediates scission of membrane nanotubes scaffolded by BAR proteins. Cell

Pezeshkian& W, Gao&# H, Arumugam&# S, Becken# U, Bassereau P, Florent JC, Ipsen* JH, Johannes* L, Shillcock* J (2017) Mechanism of Shiga toxin clustering on membranes. ACS Nano 11: 314-324 (& co-first authors, # authors from Johannes group, * principal investigators and corresponding authors)

Tran T, De Oliveira Diniz M, Dransart E, Gey A, Merillon N, Lone YC, Godefroy S, Sibley C, Ferreira LC, Medioni J, Oudard S, Johannes* L, Tartour* E (2016) A therapeutic Her2/neu vaccine targeting dendritic cells preferentially inhibits the growth of low Her2/neu-expressing tumor in HLA-A2 transgenic mice. Clin Cancer Res 22: 4133-4144 (*principal investigators)

Shafaq-Zadah M, Gomes-Santos CS, Bardin S, Maiuri P, Maurin M, Iranzo J, Gautreau A, Lamaze C, Caswell P, Goud B, Johannes L (2016) Persistent cell migration and adhesion rely on retrograde transport of beta1 integrin. Nat Cell Biol 18: 54-64

Bhatia# D, Arumugam# S, Nasilowski M, Joshi H, Wunder# C, Chambon# V, Prakash V, Grazon C, Nadal B, Maiti P, Johannes* L, Dubertret* B, Krishnan* Y (2016) Quantum dot-loaded monofunctionalized DNA Icosahedra for single particle tracking of endocytic pathways. Nat Nanotechnol 11: 1112-1119 (* corresponding authors and principal investigators; # authors from Johannes group)

Renard H-F, Simunovic M, Lemière J, Boucrot E, Garcia-Castillo MD, Arumugam S, Chambon V, Lamaze C, Wunder C, Kenworthy AK, Schmidt AA, McMahon H, Sykes C, Bassereau P, Johannes L (2015) Endophilin-A2 functions in membrane scission in clathrin-independent endocytosis. Nature 517: 493-496

Johannes L, Parton RG, Bassereau P, Mayor S (2015) Building endocytic pits without clathrin. Nat Rev Mol Cell Biol 16: 311-321

Lakshminarayan R, Wunder C, Becken U, Howes MT, Benzing C, Arumugam S, Sales S, Ariotti N, Chambon V, Lamaze C, Loew D, Shevchenko A, Gaus K, Parton RG, Johannes L (2014) Galectin-3 drives glycosphingolipid-dependent biogenesis of clathrin-independent carriers. Nat Cell Biol 16: 595-606

Sandoval F, Terme M, Nizard M, Badoual C, Bureau MF, Freyburger L, Clement O, Marcheteau E, Gey A, Fraisse G, Bouguin C, Merillon N, Dransart E, Tran T, Quintin-Colonna F, Autret G, Thiebaud M, Suleman F, Riffault S, Wu TC et al. (2013) Mucosal Imprinting of Vaccine-Induced CD8+ T Cells Is Crucial to Inhibit the Growth of Mucosal Tumors. Science Translat Med 5: 172ra20

Stechmann B, Bai SK, Gobbo E, Lopez R, Merer G, Pinchard S, Panigai L, Tenza D, Raposo G, Beaumelle B, Sauvaire D, Gillet* D, Johannes* L, Barbier J (2010) Inhibition of retrograde transport protects mice from lethal ricin challenges. Cell 141: 231-242 (* corresponding authors)

Römer W, Pontani LL, Sorre B, Rentero C, Berland L, Chambon V, Lamaze C, Bassereau P, Sykes C, Gaus K, Johannes L (2010) Actin dynamics drive membrane reorganization and scission in clathrin-independent endocytosis. Cell 140: 540-553

Ewers H, Römer W, Smith AE, Bacia K, Dmitrieff S, Chai W, Mancini R, Kartenbeck J, Chambon V, Berland L, Oppenheim A, Schwarzmann G, Feizi T, Schwille P, Sens P, Helenius A, Johannes L (2010) GM1 structure determines SV40-induced membrane invagination and infection. Nat Cell Biol 12: 11-18

Römer W, Berland L, Chambon V, Gaus K, Windschiegl B, Tenza D, Aly MR, Fraisier V, Florent J-C, Perrais D, Lamaze C, Raposo G, Steinem C, Sens P, Bassereau P, Johannes L (2007) Shiga toxin induces tubular membrane invaginations for its uptake into cells. Nature 450: 670-675

 

Publications clés

Année de publication : 2017

Weria Pezeshkian, Haifei Gao, Senthil Arumugam, Ulrike Becken, Patricia Bassereau, Jean-Claude Florent, John Hjort Ipsen, Ludger Johannes, Julian C Shillcock (2017 Jan 24)

Mechanism of Shiga Toxin Clustering on Membranes

ACS Nano : 11 : 314-324 : DOI : DOI: 10.1021/acsnano.6b05706

Année de publication : 2016

Daniela Chmiest, Nanaocha Sharma, Natacha Zanin, Christine Viaris de Lesegno, Massiullah Shafaq-Zadah, Vonick Sibut, Florent Dingli, Philippe Hupé, Stephan Wilmes, Jacob Piehler, Damarys Loew, Ludger Johannes, Gideon Schreiber, Christophe Lamaze (2016 Dec 6)

Spatiotemporal control of interferon-induced JAK/STAT signalling and gene transcription by the retromer complex.

Nature communications : 13476 : DOI : 10.1038/ncomms13476
Mijo Simunovic, Emma Evergren, Ivan Golushko, Coline Prévost, Henri-François Renard, Ludger Johannes, Harvey T McMahon, Vladimir Lorman, Gregory A Voth, Patricia Bassereau (2016 Oct 4)

How curvature-generating proteins build scaffolds on membrane nanotubes.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : 113 : DOI : 10.1073/pnas.1606943113
Cédric M Blouin, Yannick Hamon, Pauline Gonnord, Cédric Boularan, Jérémy Kagan, Christine Viaris de Lesegno, Richard Ruez, Sébastien Mailfert, Nicolas Bertaux, Damarys Loew, Christian Wunder, Ludger Johannes, Guillaume Vogt, Francesc-Xabier Contreras, Didier Marguet, Jean-Laurent Casanova, Céline Galès, Hai-Tao He, Christophe Lamaze (2016 Aug 9)

Glycosylation-Dependent IFN-γR Partitioning in Lipid and Actin Nanodomains Is Critical for JAK Activation.

Cell : 920-34 : DOI : 10.1016/j.cell.2016.07.003
Shafaq-Zadah M, Gomes-Santos C, Bardin S, Maiuri P, Maurin M, Iranzo J, Gautreau A, Lamaze C, Caswell P, Goud B, Johannes L (2016 Jan 18)

Persistent cell migration and adhesion rely on retrograde transport of β(1) integrin

Nature Cell Biology : 18 : 54-64 : DOI : 10.1038/ncb3287

Année de publication : 2015

Henri-François Renard, Mijo Simunovic, Joël Lemière, Emmanuel Boucrot, Maria Daniela Garcia-Castillo, Senthil Arumugam, Valérie Chambon, Christophe Lamaze, Christian Wunder, Anne K Kenworthy, Anne A Schmidt, Harvey T McMahon, Cécile Sykes, Patricia Bassereau, Ludger Johannes (2015 Jan 22)

Endophilin-A2 functions in membrane scission in clathrin-independent endocytosis.

Nature : 493-6 : DOI : 10.1038/nature14064
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