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Les phosphoinositides (PtdInsPs) sont des phospholipides de signalisation importants qui aident à réguler une variété de fonctions cellulaires, y compris la transduction du signal, le trafic membranaire et l’expression génique, qui modulent ensuite le comportement cellulaire d’ordre supérieur tel que la division cellulaire, l’identité des organites et l’activité métabolique1-3. Il existe sept espèces de PtdInsP qui sont dérivées de la phosphorylation des positions 3, 4 et/ou 5 du groupe de tête de l’inositol du phosphatidylinositol (PtdIns), le phospholipide parent. Il est important de noter que les sept PtdInsP sont inégalement répartis et que la concentration locale de chaque espèce de PtdInsP peut augmenter ou diminuer à des sites subcellulaires spécifiques où elles se lient à un ensemble distinct d’effecteurs protéiques, ce qui permet à chaque PtdInsP de contrôler l’identité et la fonction de sa membrane hôte3,4. De plus, les niveaux de chaque PtdInsP doivent être étroitement contrôlés, car cela peut avoir un impact significatif sur l’intensité du signal produit par un PtdInsP. La localisation et les niveaux de chaque PtdInsP dépendent du ciblage et de l’activité de nombreuses kinases lipidiques, phosphatases et phospholipases qui interviennent dans la synthèse et le renouvellement de chaque PtdInsP3,4. Par conséquent, une mauvaise régulation de la machinerie régulatrice PtdInsP peut perturber la fonction cellulaire, entraînant des maladies telles que le cancer et les maladies dégénératives2,5,6. Pour bien comprendre les rôles et les fonctions des PtdInsP et de leur mécanisme de régulation, des techniques basées sur la microscopie et la biochimie ont été développées pour suivre et quantifier les PtdInsP.
Dans de nombreux cas, les PtdInsPs se lient à leurs effecteurs protéiques via un domaine protéique spécifique7-9. Ces modules protéiques conservent souvent leurs propriétés de repliement et de reconnaissance des lipides lorsqu’ils sont exprimés séparément de la protéine entière. Cela a donné naissance à des sondes PtdInsP en fusionnant un domaine protéique spécifique de liaison à PtdInsP avec une protéine fluorescente (FP) comme la protéine fluorescente verte (GFP) pour la détection subcellulaire des PtdInsP par microscopie. En effet, de nombreuses études ont utilisé des modules de protéines de liaison à PtdInsP fusionnés à FP pour identifier la localisation et la dynamique d’espèces spécifiques de PtdInsP par imagerie de cellules vivantes1,10. Par exemple, le domaine d’homologie de Pleckstrin (PH) de la phospholipase C δ1 (PLCδ1) fusionnée à la GFP reconnaît spécifiquement le phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate [PtdIns(4,5)P2] sur la membrane plasmique, tandis que des copies en tandem du domaine FYVE de l’antigène endosomique précoce 1 (EEA1) ont été utilisées pour suivre le phosphatidylinositol-3-phosphate (PtdIns3P) sur les endosomes10-13. Dans l’ensemble, les techniques basées sur la microscopie sont excellentes pour visualiser la localisation et la dynamique de PtdInsP, mais il y a plusieurs mises en garde, notamment que les domaines de liaison à PtdInsP peuvent également interagir avec d’autres facteurs autres que l’espèce cible de PtdInsP et qu’ils ne peuvent pas détecter les changements en dessous de la fluorescence cytosolique des sondes FP.
Les techniques biochimiques, y compris la chromatographie sur couche mince, la spectrométrie de masse et le marquage radio-isotopique, peuvent également être utilisées pour caractériser et quantifier les niveaux de chaque PtdInsP14-16. Ces méthodes nécessitent l’isolement des lipides pour la détection des niveaux cellulaires de PtdInsPs. La spectrométrie de masse peut être utilisée pour caractériser les phospholipides à partir d’extraits de lipides et est inestimable pour déterminer la composition de la chaîne acyle de PtdInsPs14,17. Cependant, la spectrométrie de masse est principalement semi-quantitative et il reste difficile de résoudre et de quantifier simultanément les espèces PtdInsP de même poids moléculaire14,17. En comparaison, le marquage radio-isotopique des PtdInsPs suivi d’une scintillation en flux couplée à la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) est utile pour la séparation et la quantification simultanée des sept espèces de PtdInsPs18. L’utilisation de la HPLC avec une colonne d’échange d’anions forts (SAX) permet d’obtenir une séparation basée sur le poids moléculaire, la charge et la forme, fractionnant ainsi les PtdInsP désacylés (Gro-InsPs) même de même poids moléculaire et de même charge. Le couplage de l’éluant HPLC à un scintillateur de flux génère ensuite des pics de signal radioactifs pour chaque espèce de Gro-InsPs par rapport au glycérol-inositol parent d’origine (Gro-Ins)18. Cela correspond finalement aux niveaux relatifs de PtdInsP dans les cellules.
Le radiomarquage des PtdInsP et la scintillation d’écoulement couplée à la HPLC sont un outil utile pour étudier la régulation et la fonction du phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate [PtdIns(3,5)P2], un PtdInsP qui ne constitue que ~0,1-0,3 % des PtdIns16,19,20. La synthèse de PtdIns(3,5)P2 est réalisée par la 5-kinase PtdIns3P appelée Fab1 chez la levure et PIKfyve chez les mammifères21. Cette réaction est contrecarrée par une 5-phosphatase PtdIns(3,5)P2 appelée Fig4 chez la levure ou mFig4/Sac3 chez les mammifères22-24. Il est intéressant de noter que PIKfyve/Fab1 et mFig4/Fig4/Sac3 existent dans un seul complexe et sont régulés par la protéine d’adaptation d’échafaudage, Vac14 chez la levure ou mVac14/ArPIKfyve chez les mammifères25,26. Dans les cellules de levure supprimées par VAC14, Fab1 ne fonctionne pas efficacement, ce qui entraîne une diminution de 90 % des niveaux27,28 de PtdIns(3,5)P2. D’autre part, Atg18 est une protéine effectrice de PtdIns(3,5)P2 qui peut contrôler la fission vacuolaire 29. Atg18 est également un régulateur négatif de PtdIns(3,5)P2 puisque la délétion de son gène, ATG18, provoque une augmentation de 10 à 20 fois des niveaux29,30 de PtdIns(3,5)P2. Dans l’ensemble, les changements dans les niveaux de PtdIns(3,5)P2 ont un impact sévère sur la fonction de la vacuole de levure et des lysosomes de mammifères, affectant par conséquent des processus tels que le trafic membranaire, la maturation des phagosomes, l’autophagie et le transport d’ions 6,19,21,31.
Cet article décrit le processus de marquage radio-isotopique des PtdInsPs avec 3H-myo-inositol dans la levure pour détecter les niveaux relatifs de PtdIns(3,5)P2 dans les souches de levure de type sauvage, vac14Δ et atg18Δ. À l’aide de cet exemple, les capacités de résolution de la HPLC pour la séparation des PtdInsP individuels ainsi que la sensibilité de la scintillation en flux pour la détection de traces de 3H-myo-inositol sont démontrées. Nous expliquons également comment on pourrait optimiser la méthodologie de marquage et de séparation des PtdInsP marqués 3 H des cellules de mammifères, dont les échantillons ont tendance à être plus complexes puisque ces cellules possèdent les sept espèces de PtdInsP.