Peptide de pénétration cellulaire

La majorité des études les plus anciennes suggéraient que la translocation des peptides de pénétration cellulaire polycationiques à travers les membranes biologiques était le fait d'un processus cellulaire qui ne requiert pas d'énergie. On pensait que la translocation pouvait se produire à 4 °C en impliquant très certainement une interaction électrostatique directe avec les phospholipides, chargés négativement. Plusieurs modèles ont été proposés pour expliquer les mécanisme biophysique à l'œuvre dans un tel processus ne requérant pas d'apport énergétique. Bien que les peptides de pénétration cellulaire induisent des effets directs sur les propriétés biophysiques des membranes biologiques, l'observation d'éléments de fixation lors de l'utilisation de protéines marquées par fluorescence a conduit à revoir les mécanismes alors proposés[14]. Ces études suggérèrent que le mode de translocation repose davantage sur l'endocytose.

La pénétration directe a été proposée pour la protéine Tat (en). La première étape dans ce modèle est une interaction entre la membrane et la protéine de fusion Tat non repliée, ce qui a pour effet de rompre suffisamment la membrane pour laisser passer la protéine de fusion, qui se replierait ensuite une fois internalisée à l'aide d'un système chaperon. Ce mécanisme n'a pas fait consensus, et d'autres mécanismes ont été proposés, impliquant une endocytose à l'aide de clathrine[15] - [16].

Bien d'autres mécanismes d'absorption cellulaire de tels peptides ont été proposés, notamment la formation transitoire de pores[17] - [18] - [19] - [20] - [21]. Ces mécanismes font intervenir des interactions fortes entre les peptides de pénétration cellulaire d'une part et les groupes phosphate des deux feuillets de la bicouche lipidique d'autre part, l'insertion de chaînes latérales d'arginine qui entraînent la nucléation d'un pore transitoire dans la membrane, et enfin la translocation du peptide par diffusion sur la surface du pore. Ces mécanismes expliquent comment la coopération entre peptides, la charge électrique fortement positive et notamment les groupes guanidinium, contribuent à l'absorption.

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  Représentation schématique d'une translocation transmembranaire par pénétration directe.

L'endocytose est le processus d'ingestion cellulaire d'une particule par lequel la membrane plasmique se replie en formant une invagination qui se referme en formant une vésicule dans laquelle est enfermée la particule à internaliser. La plupart des études sont menées par fluorescence ou à l'aide d'inhibiteurs d'endocytose. La préparation de ces échantillons est cependant susceptible d'altérer les informations relatives à l'endocytose. On a pu montrer que l'internalisation d'analogues du transportane ou de la pénétratine, riches en arginine comme la protéine Tat, est un processus distinct de la translocation[22] et qui consomme de l'énergie[23]. Il est amorcée par des polyarginines interagissant avec le sulfate d'héparane de protéoglycanes[24]. La protéine Tat est internalisée par une forme d'endocytose appelée macropinocytose[25] - [26].

S'il a été montré que des mécanismes d'endocytose interviennent dans l'internalisation des peptides de pénétration cellulaire, on a également proposé que différents mécanismes puissent intervenir en même temps, comme le suggère le comportement de la pénétratine et du transportane, qui fait intervenir simultanément des mécanismes d'endocytose et de pénétration directe par translocation[27] - [28].

Ce mécanisme repose sur la formation de micelles inversées dans les membranes plasmiques à traverser. Les micelles inversées sont des agrégats de tensioactifs colloïdaux dans lesquels les groupes polaires sont orientés vers l'intérieur et les groupes lipophiles sont orientés vers l'extérieur au contact du solvant. Selon ce modèle, un dimère de pénétratine se lie à des phospholipides chargés négativement, ce qui conduit à la formation d'une micelle inversée au sein de la bicouche lipidique. Cette micelle permet à la pénétratine de baigner dans un milieu hydrophile pendant qu'elle franchit le milieu lipidique de la membrane[29] - [30] - [31]. Ce mécanisme demeure néanmoins débattu car la distribution de la pénétratine de part et d'autre de la membrane n'est pas symétrique, ce qui engendre un champ électrique susceptible d'entraîner un phénomène d'électroporation lorsque la concentration de pénétratine à l'extérieur de la membrane atteint un seuil critique.

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  Représentation schématique d'une translocation transmembranaire par micelle inversée.