Lysosomes: le modèle vacuolaire des plantes

Résumé

En conjuguant les techniques cytochimiques en microscopie électronique conventionnelle et à très haut voltage (3MeV), nous avons reconstitué la dynamique lysosomale du développement vacuolaire (Marty, 1970 et seq.). Nous avons montré que le reticulum endoplasmique (RE) est spécialisé en GERL à la face «trans» des dictyosomes (G). Du GERL émergent des provacuoles (lysosomes primaires) dans lesquelles les hydrolases acides lysosomales et d'autres matériaux de sécrétion sont concentrés. Les provacuoles constituent un «appareil provacuolaire» dont le rôle coopératif dans les processus de digestion intracellulaire (autophagic et hétérophagie) est présenté et discuté. Un programme d'autophagie cellulaire massive, éventuellement répétitif, conduit à la formation de nombreuses jeunes vacuoles (lysosomes secondaires). Ces jeunes vacuoles forment par confluence les grandes vacuoles des cellules différenciées. Dans ces cellules différenciées, les provacuoles sont transférées directement du GERL aux grandes vacuoles déjà existantes. Ce flux membranaire interne contribue simultanément à l'approvisionnement de la vacuole en substances diverses et à l'accroissement de la membrane vacuolaire.

Selon ce modèle, les vacuoles végétales se définissent comme des lysosomes à fonctions spécialisées dans la régulation osmotique, le dépôt de produits métaboliques divers et la compartimentation des enzymes hydrolytiques. Parce que la plupart de ces propriétés dépendent directement de l'activité de la membrane vacuolaire, nous avons étudié l'organisation moléculaire de la membrane (Marty et Branton, 1980).

Les vacuoles, isolées par un procédé mécanique, ont été lysées osmotiquement pour séparer les constituants de la membrane et du contenu. Approximativement 62% des protéines vacuolaires, 70% des sucres non dialysables et virtuellement la totalité des phospholipides et des stérols ont été récupérés avec la fraction membranaire sédimentable. 17 lipides polaires, comprenant des phospholipides (PC: 54%;PE: 24%) et des glycolipides ont été identifiés. 2 céramide-glycosides, ressemblant à ceux des lysosomes animaux et un (sulfo)-glycoside ont été analysés par chromatographie en couche mince.

L'électrophorèse à haute résolution des polypeptides vacuolaires a révélé 15 bandes majeures avec des masses molaires apparentes de 91K à 12K. Des expériences d'élution sélective ont défini les protéines périphériques de la membrane, certaines en associations oligomériques et celles, intégrées, qui ont une interaction hydrophobe forte avec le feuillet lipidique. Comme leur affinité pour diverses lectines le montre, les polypeptides de la membrane et du contenu vacuolaire sont pour la plupart des glycoprotéines riches en résidus mannosyl, comme les enzymes lysosomales et qui ont accompli plusieurs étapes de modifications posttraductionnelles.

Summary

The lysosomal dynamics of the vacuole development was studied by high-voltage and conventional electron microscope cytochemistry (Marty, 1970 et seq.). It was shown that ER is specialized in GERL at the trans face of the Golgi apparatus (G). GERL produces provacuoles (primary lysosomes) into which lysosomal enzymes and probably other materials appear to be concentrated and packaged. GERL-derived provacuoles cooperate to drive intracellular digestion processes (autophagy and heterophagy). A programmed cellular autophagy, possibly repetitive, leads to young vacuoles (secondary lysosomes). The young vacuoles swell and fuse together into a few large mature vacuoles which continue to collect the GERL-derived provacuoles throughout the life of the cell. This internal membrane flow would account for tonoplast enlargement and vacuolar content accretion during cell growth.

According to this model, plant vacuoles can be described as lysosomes specialized in osmotic regulation, deposition of metabolic products, and compartmentation of hydrolytic enzymes. Because many of these properties depend directly on the vacuole membrane, we analyzed the major components of the vacuole periphery (Marty and Branton, 1980).

Vacuoles, isolated by a mechanical procedure, were osmotically lysed to separate the membrane and sap components. Approximately, 62% of the vacuole proteins, 70% of the non-dialyzable carbohydrates and almost all of the phospholipids and sterols were recovered in the membrane fraction. 17 complex polar lipids including phosphatides (PC: 54%; PE: 24%) and glycolipids were tentatively identified. 2 ceramide glycoside-like lipids, resembling those of animal lysosomes, and a putative sulfoglycoside were identified by thin-layer chromatography.

High-resolution SDS-acrylamide gel electrophoresis of the polypeptides from the vacuole revealed 15 major bands with apparent molecular weights ranging from 91K to 12K. Selective elution experiments delineated those polypeptides that were peripheral membrane proteins, some possibly associated into large oligomeric complexes, and those, integral, that exhibited firm hydrophobic interactions with the lipid core. Lectin labeling results indicated that most of the polypeptides from the membrane and from the sap were glycoproteins probably of the high-mannose type, characteristic of lysosomal enzymes, that had undergone several stages of posttranslational modification.