Physics of lipid droplet biogenesis

En présence de surplus d’énergie, les cellules synthétisent des lipides neutres dans la bicouche du réticulum endoplasmique (RE). Ils démixent ensuite pour former de nouvelles organelles, les corps lipidiques (CLs), qui émergent principalement dans le cytoplasme et régulent le métabolisme énergétique et de nombreux processus cellulaires. Cette thèse étudie les mécanismes de cette biogénèse directionnelle des CLs à l’aide de la physique des émulsions. Pour cela, nous avons développé un système in vitro reproduisant la topologie des CLs en formation et avons montré que le comportement du CL dans une membrane était régi par un équilibre de tension de surface comme dans un système de mouillage à trois phases. La directionnalité de l’émergence des CLs est régulée par une asymétrie de tension entre les feuillets de la membrane. Nous avons ensuite essayé de comprendre comment la cellule pouvait imposer une telle différence de tension et avons découvert que les CLs artificiels émergeaient du feuillet présentant la meilleure couverture résultant de l’insertion de protéines ou de phospholipides. In vivo, l’émergence de CLs dépeuple le feuillet cytosolique du RE de ses phospholipides qui doivent être constamment remplacés pour assurer la bonne émergence des futurs CLs dans le cytoplasme. En accord avec cette hypothèse, des cellules manquant de phospholipides présentent de plus nombreux CLs en contact avec le lumen et un RE remodelé. Nos résultats révèlent une coopération active entre phospholipides et protéines pour extraire les CLs du RE. Les fonctions cellulaires des CLs sont essentiellement déterminées par leur protéome de surface. Les protéines y sont souvent recrutées spécifiquement à l’aide d’hélices amphipathiques (HAs) selon des mécanismes peu connus. Nos résultats montrent que les lipides neutres jouent un rôle prépondérant dans le recrutement spécifique des HAs et que la densité des phopholipides module simplement l’accès des HAs aux lipides neutres. Cette découverte permet de comprendre le recrutement de certaines HAs sur des sous-populations spécifiques de CLs. Cette thèse illustre comment la physique des émulsions peut apporter une compréhension originale des mécanismes régulant la biogenèse des CLs.Cells store excess energy in the form of neutral lipids that are synthesized and encapsulated within the inter-monolayer space of the endoplasmic reticulum (ER). Then these neutral lipids demix to form a new organelle named lipid droplets (LDs), which, surprisingly, bud off mostly toward the cytosol where they regulate metabolism and multiple biological processes. The purpose of this thesis is to investigate LD directional biogenesis through soft matter physics. We reconstituted LD formation topology by embedding artificial LDs into the inter-monolayer space of bilayer vesicles. We provide evidence that the droplet behavior in the membrane is recapitulated by the physics of three-phase wetting systems, controlled by the equilibrium of surface tensions. More precisely, slight tension asymmetries between the membrane monolayers regulate the droplet budding side. We then investigated how cells are able to impose the required tension asymmetry and found that model LDs emerge on the membrane leaflet of higher coverage resulting from the insertion of both proteins and phospholipids. In cells, continuous LD emergence on the cytosol would require a constant refill of phospholipids to the ER’s cytosolic leaflet. Consistent with this model, cells deficient in phospholipids present an increased number of LDs exposed to the ER lumen and compensate the deficiency by remodeling the ER’s shape. Our results reveal an active cooperation between phospholipids and proteins to extract LDs from the ER.LDs have several biological implications determined by proteins specifically targeted to their surface, mostly through amphipathic helix (AH) motifs. How such specificity is achieved remains elusive. Our results support that neutral lipids play a key role in determining AH binding specificity, and phospholipid packing simply modulates the amount of accessible surface. These findings help to understand how AHs bind to specific LD populations. In summary, our work offers new insights on the mechanisms regulating LDs biogenesis by using well-known soft matter physics tools