L'appareil de Golgi (ou Golgi pour les intimes) est nommé d'après Camillo Golgi, qui a signalé la première fois en 1888, une structure réticulaire dans le cytoplasme de nombreux types de cellules, qu'il a trouvé par coloration au chromate d'argent .

L'histoire classique, que tout le monde connaît, a émergé avec l'avènement de la microscopie électronique (EM) plus d'un demi-siècle plus tard, lorsque la structure a été révélé comme un ensemble de compartiments membranaires aplatis, ou citernes, qui sont typiquement disposés en une pile (figure 1). Les études par radiomarquage ont ensuite conduit au dogme actuel ; que l'appareil de Golgi est l'organite dans lequel transitent les protéines sécrétoires et de la membrane, nouvellement fabriquées à mesure qu'elles progressent du réticulum endoplasmique (RE) vers la membrane plasmique, ou d'autres compartiments membranaires de la cellule et il fait maintenant aussi partie de l'image classique que l'appareil de Golgi élabore et modifie les structures des glycanes communs qui sont attachés aux protéines dans le RE.

Figure 1. A quoi ressemble l’appareil de Golgi. (a) En haut:.  Section d’une cellule métazoaires typique en microscopie électronique. L'appareil de Golgi est un empilement de citernes disposés de cis (vert clair) à trans (vert foncé). Notez les points de contact entre les citernes trans et RE (Cellules hypodermique de Caenorhabditis elegans  courtoisie de Gillian Howard (MRC-LMB); échelle = 500 nm). En bas: un dessin schématique de la photographie au microscope électronique sur la gauche, avec les structures importantes marquées: Cis-Golgi est de couleur verte, l'appareil de Golgi trans vert foncé pâle (b) Un appareil de Golgi d’algues vertes unicellulaires tauri Ostreococcus par cryotomographie. L'échantillon est congelé et non fixe, et cela représente donc l'une des premières images d'une pile de Golgi native. A gauche: une seule tranche à travers la reconstruction tridimensionnelle. A droite: l'appareil de Golgi mis en évidence dans une vue à travers la cellule entière: les citernes sont de couleur pourpre, rouge, or, jaune, et vert (cis à trans), et le RE en bleu clair. De Henderson et ale 749. (2007), PLoS One 2,  échelle = 100 nm.

Où est le mystère ?

Tout d'abord, l'appareil de Golgi est loin d'être toujours tel que décrit par son découvreur. La structure observée pour la première fois par Camillo Golgi était celle d'un mammifère typique, avec des piles individuelles qui sont liées pour former de longs rubans connectés disposés autour du centre d'organisation des microtubules à proximité du noyau. Toutefois, dans certains types de cellules, par exemple le muscle et chez la plupart des invertébrés et les plantes, l'appareil de Golgi ne ressemble pas un ruban lié, mais plutôt à une centaine de piles individuelles dispersées dans le cytosol. Pire encore, certaines espèces sont dépourvues de la disposition classique en "pile de plaques" de la citerne. Ce qui a conduit à croire que certaines espèces, les champignons en particulier, n'avaient pas d'appareil de Golgi, et suggéré que l'organite n'a émergé qu'après les premiers eucaryotes. Cependant, il est apparu que dans ces champignons les citernes de Golgi sont présentes mais passent le plus clair, et peut-être la totalité, de leur temps à l'écart. Dans les cas les plus extrêmes, tels que celui des microsporidies l'appareil de Golgi ne dépasse pas le faisceau de tubes et de vésicules. La figure 2,qui représente une image par immuno-fluoréscence de l'appareil de Golgi d'un mammifère et une cellule de levure, illustre l'agencement des différentes membranes. Le point de vue actuel, est que toutes les cellules eucaryotes ont un appareil de Golgi d'une certaine sorte, et donc qu'il était une caractéristique du dernier ancêtre eucaryote commun.

Figure 2. En quoi l'appareil de Golgi diffère entre les mammifères et les levures. L'image par immunofluorescence confocale d'une cellule de mammifère et une cellule de levure exprimant la même protéine de Golgi marqué par myc (yeas tKre2). Le Golgi des mammifères forme des rubans à côté du noyau, tandis que dans la levure  l'appareil de Golgi comprend de petites citernes trouvées dans le cytoplasme. Echelle = 10 µm.

Ces différences structurelles signifient-elles que l'appareil de Golgi a des fonctions distinctes dans différentes cellules ?

Malgré de grandes variations de forme et de taille, l'appareil de Golgi a des rôles qui sont presque certainement partagés dans toutes les cellules et les espèces. Tous les eucaryotes font leur membrane et des protéines de sécrétions dans le RE, et nécessitent un mécanisme de routage pour les sortir du RE vers différentes destinations à l'intérieur de la cellule, ou sur elle. Un rôle clé de l'appareil de Golgi est d'être le principal point de sortie de l'ensemble de ce trafic post-RE (Figure. 3a) Les protéines à destinations différentes sortent toutes du RE dans des vésicules enrobées de protéines d'enveloppe spécialisées COPII , et fusionnent les unes aux autres et à la première, ou citerne «cis», de l'appareil de Golgi. Les protéines résidentes du RE qui se ont échappées dans les vsicules COP II sont ensuite recyclées dans le RE en vésicules COPI, et les protéines restantes sortent de la face opposée, ou «trans», de l'appareil de Golgi. Ces protéines doivent être triées dans des transporteurs destinés à être transportés vers des destinations différentes. Les protéines sécrétées et les protéines de surface cellulaire sont transportées vers la membrane plasmique, tandis que les protéines lysosomales sont d'abord triées vers les endosomes qui maturent, puis fusionnent avec les lysosomes. Tout ce trafic de départ dépend de récepteurs de fret spécialisées et des machineries de la circulation qui sont recyclées et sont retournées à l'appareil de Golgi, probablement au niveau de la citerne trans.

Figure 3. Que fait l'appareil de Golgi. Du point de vue de la cellule, l'appareil de Golgi peut être considéré comme une boîte noire avec des matériaux entrants par le RE ou les endosomes, puis sortants avec des conséquences diverses. (a) Sorties. Les nouvelles protéines sécrétées et les protéines membranaires arrivent au cis-Golgi du RE dans des vésicules COP-II enduites et sont triées de la trans-Golgi aux autres organites de la cellule. Les Vésicules COP-I permettent de récupérer les résidus échappés du RE, et sont largement, mais pas universellement, considérées comme recyclant également des enzymes de Golgi des compartiments précédents les citernes matures. (B) Modification des protéines. Les protéines nouvellement fabriquées à partir du RE reçoivent une gamme de modifications post-traductionnelles à mesure qu’elles se déplacent à travers la pile de l'appareil de Golgi, comme illustré ici par le traitement des N-glycanes. (C) Modification de la bicouche lipidique. La membrane du RE est principalement composée de phospholipides. Les sphingolipides, tels que la sphingomyéline, chez les mammifères et les glycolipides sont réalisés en utilisant les céramides délivrés par le RE à l'appareil de Golgi, et le taux de cholestérol augmente également vers le côté trans. Ainsi, la membrane au départ du trans-Golgi est très différente dans sa composition de celle arrivée du RE.

Les Membranes de Golgi ne sont pas toutes les mêmes, mais sont-elles toutes en train de faire la même chose ?

Pas exactement la même, non. Toutes les cellules ont besoin que l'appareil de Golgi fournisse une voie de circulation de du RE au reste de la cellule , mais l'appareil de Golgi réalise également des fonctions qui sont plus variables entre les types de cellules. Tout d'abord, certaines cellules ont des structures sécrétoires spécialisées, telles que les granules contenant de l'insuline du pancréas, et qui sont aussi formées au niveau de l'appareil de Golgi (Figure 3a). En second lieu, l'appareil de Golgi ajoute des modifications post-traductionnelles aux protéines de transport qui viennent du RE. La plus importante de ces activités est la garniture et l'extension des structures de base de glycanes attachées au RE (Figure 3b). Les structures précises attachées aux glycanes varient entre le type de protéine, de cellule et de l'espèce, et elles sont synthétisés par des enzymes résidentes qui sont souvent disposées dans la pile dans l'ordre dans lequel elles agissent. La diversité de glycosylation est illustré par les groupes sanguins humains, qui proviennent de différents allèles d'une glycosyltransférase particulière de Golgi. Dans certaines cellules, de longs polymères de glycanes sont attachés, et l'appareil de Golgi joue un rôle important dans la biosynthèse de protéoglycanes chez les animaux et de pectines pour les plantes. D'autres modifications comprennent la sulfatation, la phosphorylation et la protéolyse, et toutes les enzymes concernées sont des protéines intégrées à la membrane . C'est une distinction remarquable du RE, où la plupart des protéines résidentes sont solubles dans la lumière du RE, et peut représenter un spécialisation morphologique des membranes de Golgi : il se peut que la forme aplatie des citernes reflète la nécessité de maintenir la solubilité des protéines de transport dans la lumière à proximité du «tapis catalytique» des enzymes qui tapissent les membranes de Golgi et appliquent les modifications appropriées aux protéines de transport qui passent.
Le métabolisme des lipides est un autre rôle de l'appareil de Golgi (Figure 3c). En particulier, l'appareil de Golgi contient des enzymes qui convertissent les céramides formées dans le RE en sphingolipides. Chez les mammifères, ce sont les glycosphingolipides et sphingomyéline, qui sont des composants abondants de la membrane plasmique. Ces lipides ont la capacité dans le système modèle de se combiner avec le cholestérol pour former des domaines, ce qui a conduit à suggérer qu'ils pourraient contribuer au tri des protéines dans l'appareil de Golgi. Il a été noté il y a des années que l'appareil de Golgi est capable de diriger les sphingolipides de la membrane plasmique plutôt que de les retourner au RE, et il est tentant de spéculer que ce remodelage de la bicouche lipidique pourrait être une fonction primordiale de l'appareil de Golgi.

Outre l'évolution et les questions morphologiques, tout cela semble assez bien établi - quels sont les enjeux ?

Par où commencer? Peut-être la question la plus récente - et l'un des plus controversée - est la soi-disant dérivation de Golgi. La vision classique est que tout le trafic de la protéine à partir du RE est dirigé à travers l'appareil de Golgi. Mais quelques articles ont récemment affirmé que les protéines membranaires en particuliers peuvent contourner l'appareil de Golgi et arriver à la surface de la cellule, avec les adaptations acquises au niveau du RE, mais sans les modifications de Golgi ultérieures. La nature et l'existence même, de cet itinéraire «non conventionnel» de sécrétion n'est pas universellement admise, et le pourquoi seulement certaines protéines seraient en mesure d'accéder à un tel itinéraire n'est pas clair. La preuve de la sécrétion non conventionnelle deviendra plus robuste lorsque sa machinerie spécifique sera identifiée - en particulier étant donné que la principale protéine jusqu'ici nécessaire pour contourner l'appareil de Golgi, le GRASP, est lui-même un résident de Golgi avec un rôle bien établi dans l'empilement cisternal .
Alors, que savons-nous de la machinerie spécifique du trafic conventionnel, au travers de l'appareil de Golgi?
C'est une question plutôt embarrassante. Bien que nous sachions ce qui arrive et repart, le comment les protéines se déplacent d'un côté de l'appareil de Golgi à l'autre a été débattu pendant des décennies, et l'est toujours. Le modèle original de micrographies électroniques qui était citernes formée sur le côté cis, puis «progressé» ou «mûri» à travers la pile jusqu'à ce que leur rupture au niveau du côté trans ou fusionnées avec une citerne trans préexistant. Cela a été ensuite contesté par la proposition que les vésicules de transport transportent une cargaison vers l'avant dans la pile. Bien que la maturation cisternale est de retour en faveur de plus sur le terrain, des études récentes ont suggéré que les connexions tubulaires forme entre les citernes pour permettre le mouvement vers l'avant rapide de la cargaison. Pour un compte rendu lucide des détails de ce débat de longue haleine le lecteur intéressé est appelé ailleurs (voir ci-dessous). Il reste aussi à voir si la nature du transport intra-Golgi a des implications pour la façon dont l'appareil de Golgi effectue ses rôles fondamentaux pour la cellule.
Un aspect particulièrement mal compris de l'appareil de Golgi est la génération des transporteurs qui se déplacent de la trans Golgi à la membrane plasmatique. Contrairement à d'autres étapes de la circulation, aucune des protéines d'enveloppe ont été identifiés, et il peut y avoir des voies redondantes vers la membrane plasmique, en particulier dans les types de cellules polarisées telles que l'épithélium et les neurones où les protéines doivent être livrées aux différentes parties de la surface de la cellule. De même, il semble y avoir plusieurs routes des endosomes vers l'appareil de Golgi , mais combien de routes, quel mécanisme agit pour qui, et où ils arrivent à l'appareil de Golgi ne sont pas encore résolus.

Est-ce tout des questions non résolues?

Ce n'est pas le cas. Une autre est le mécanisme qui assure que les enzymes de l'appareil de Golgi résidents restent dans la pile au lieu de départ à la sortie de marchandises. Il existe des preuves que les domaines transmembranaires peuvent contribuer à la rétention, mais comment différentes enzymes sont ciblées pour les différentes parties ne sont pas connus, ou même comment le domaines transmembranaires acte.
Comment la pile de l'appareil de Golgi est assemblé à partir de citernes individu n'est pas non plus bien compris, ni le but qui est desservie par la disposition empilée, étant donné que ce n'est pas une caractéristique universelle de tous les Golgis. En effet, la question de savoir comment et pourquoi l'appareil de Golgi varie entre organismes est également en attente d'être résolus plus du champ explore espèces en dehors des deux royaumes de la vie de laboratoire, la levure et les cellules HeLa.
Certains transport des lipides peut aussi se faire par non vésiculaire routes, comme des sites de contact peuvent souvent être observées entre la trans-Golgi et ER (voir, par exemple, la figure 1a),et certaines protéines de stérols et de transport de céramide ont des domaines de liaison pour les deux organites. Cependant, les composants et l'ubiquité de ces contacts restent énigmatiques. Dans les cellules de mammifères, le fragment de ruban de Golgi et des piles lors de la mitose pour faciliter une répartition égale entre les filles, ce qui indique que la structure de Golgi peut être réglée. Enfin, il ya les questions générales de l'homéostasie et mise à l'échelle qui s'appliquent à toutes les structures cellulaires (comme discuté récemment dans BMC Biology par Wallace Marshall). Dans le cas de l'appareil de Golgi il doit y avoir des mécanismes homéostatiques sous-jacentes de la pile très régulière, si spécifiques aux espèces, la taille et la forme.

Y a t-il un espoir pour la résolution des problèmes dans la structure et la fonction de Golgi?

Max Planck a fait valoir qu'une vérité scientifique seulement triomphes quand ses adversaires finissent par mourir, mais je crois que les progrès technologiques vont nous sauver de ce qui serait autrement, je l'espère, une longue attente. En particulier, les récents progrès de super-résolution microscopie promettent de résoudre clairement la répartition des cargaisons, les enzymes de résidents, et les machines de trafic à l'intérieur des citernes individu, et même après ce à travers le temps dans les cellules vivantes. En outre, l'amélioration des méthodes de préparation des échantillons pour la microscopie électronique, combinée à la tomographie, offrent de nouvelles possibilités pour la compréhension de la structure de Golgi (figure 1b). Il peut être difficile de localiser des protéines spécifiques dans les sections épaisses, mais il ya eu des progrès dans l'étude passionnante récente sections non fixées congelés dans lesquelles il peut éventuellement être possible de reconnaître la densité de la protéine correspondant à des structures récemment résolus de composants de la traite. En fin de compte, une compréhension au niveau moléculaire de mécanisme devra aller au-delà des études descriptives de la reconstitution biochimique de la fonction Golgi in vitro. Il s'agit d'un défi de taille que peu, voire aucun laboratoire n'adopte actuellement, mais il se peut que des mesures particulières puissent être abordées de manière isolée les biologistes structurels ont récemment eu un succès considérable exprimer composants recombinants de transport membranaire qui sera inestimable pour tel essais in vitro.

La génétique ne peut-elle aider?

Une grande partie de la machinerie moléculaire de l'appareil de Golgi a été identifié par des tests biochimiques et génétiques sur la levure. Plus récemment, les écrans d'interférence de l'ARN du génome entier dans les cellules de métazoaires ont identifié plus de quelques composants qui ont été manqués ou étaient absents de la levure. Plus inattendu, un nombre croissant de maladies génétiques rares sont trouvés être causée par des allèles nuls de gènes codant des protéines de Golgi. Il semble que la perte de certaines protéines de Golgi qui sont exprimé de façon ubiquitaire et bien conservé dans les résultats de l'évolution de défauts qui, bien que grave, ne sont pas cellulaires mortelle mais spécifique pour notamment des tissus ou des protéines cargos, ou se traduisent par des niveaux réduits de glycosylation. Cela donne à penser que certaines machines de Golgi n'est pas nécessaire pour le trafic de base, mais de veiller à ce que les fonctions des organites à un maximum d'efficacité, en particulier lorsque de grandes quantités de matériel sont sécrétées.
Il est clair que beaucoup de l'appareil de Golgi reste mystérieuse de plus de 110 ans après sa découverte, une réflexion sûrement de sa complexité plutôt que la qualité de la recherche dans le domaine. . Compte tenu de son rôle central dans le trafic membranaire et l'augmentation du nombre de liens vers des maladies humaines, la résolution de ces questions semble certain d'ouvrir la porte à une nouvelle compréhension des mécanismes fondamentaux de la biologie eucaryote.

Références

1. Emr S, Glick BS, Linstedt AD, Lippincott-Schwartz J, Luini A, Malhotra V, Marsh BJ, Nakano A, Pfeffer SR, Rabouille C, Rothman JE, Warren G, Wieland FT: Journeys through the Golgi--taking stock in a new era.

   J Cell Biol 2009, 187:449-453.

2. Giuliani F, Grieve A, Rabouille C: Unconventional secretion: a stress on GRASP.

   Curr Opin Cell Biol 2011, 23:498-504.

    

3. Glick BS, Luini A: Models for Golgi traffic: a critical assessment.

   Cold Spring Harb Perspect Biol 2011.

   doi: 10.1101/cshperspect.a005215 

    

4. Hughson FM, Reinisch KM: Structure and mechanism in membrane trafficking.

   Curr Opin Cell Biol 2010, 22:454-460.

    

5. Lowe M: Structural organization of the Golgi apparatus.

   Curr Opin Cell Biol 2011, 23:85-93.

    

6. Marshall WF: Origins of cellular geometry.

   BMC Biol 2011, 9:57.

    

7. Smits P, Bolton AD, Funari V, Hong M, Boyden ED, Lu L, Manning DK, Dwyer ND, Moran JL, Prysak M, Merriman B, Nelson SF, Bonafé L, Superti-Furga A, Ikegawa S, Krakow D, Cohn DH, Kirchhausen T, Warman ML, Beier DR: Lethal skeletal dysplasia in mice and humans lacking the golgin GMAP-210.

   N Engl J Med 2010, 362:206-216.

    

8. Toomre D, Bewersdorf J: A new wave of cellular imaging.

   Annu Rev Cell Dev Biol 2010, 26:285-314.

    

9. van Meer G, Voelker DR, Feigenson GW: Membrane lipids: where they are and how they behave.

   Nat Rev Mol Cell Biol 2008, 9:112-124.

Traduction de : "Q&A: What is the Golgi apparatus, and why are we asking?" par Sean Munro sous licence CCA.