Curved EFC/F-BAR-Domain Dimers Are Joined End to End into a Filament for Membrane Invagination in Endocytosis

Abstract

Pombe Cdc15 homology (PCH) proteins play an important role in a variety of actin-based processes, including clathrin-mediated endocytosis (CME). The defining feature of the PCH proteins is an evolutionarily conserved EFC/F-BAR domain for membrane association and tubulation. In the present study, we solved the crystal structures of the EFC domains of human FBP17 and CIP4. The structures revealed a gently curved helical-bundle dimer of approximately 220 A in length, which forms filaments through end-to-end interactions in the crystals. The curved EFC dimer fits a tubular membrane with an approximately 600 A diameter. We subsequently proposed a model in which the curved EFC filament drives tubulation. In fact, striation of tubular membranes was observed by phase-contrast cryo-transmission electron microscopy, and mutations that impaired filament formation also impaired membrane tubulation and cell membrane invagination. Furthermore, FBP17 is recruited to clathrin-coated pits in the late stage of CME, indicating its physiological role.

A High Precision Survey of the Molecular Dynamics of Mammalian Clathrin-Mediated Endocytosis

“…Here, interaction of receptors with adaptor proteins stabilise nascent clathrin-coated pits (CCPs) at random sites on the plasma membrane [3]. Growing CCPs acquire cargo and invaginate via clathrin polymerization [4] and the coordinated action of curvature-inducing/sensing BAR [5] and F-BAR domain proteins [6,7], ENTH domain proteins [8], and possibly actin [9][10][11]. The neck of the deeply invaginated CCP is severed in a mechanism involving the large GTPase dynamin [12,13], and possibly a phosphoinositide (PI) phosphatase [14], to release a clathrin-coated vesicle (CCV), which uncoats through the action of GAK/auxilin [15,16].…”

“…In a typical experiment using dual colour total internal reflection fluorescence microscopy (TIR-FM), the recruitment dynamics of fluorescent protein (FP)-tagged endocytic proteins were measured relative to the disappearance of spot-like CCPs, which was used as a fiducial marker to indicate internalization [6,18,19]. Using this strategy the recruitment dynamics of endocytic proteins were coarsely grouped into ''early'' and ''late'' relative to CCP disappearance [20] (Figure S1), but finer temporal resolution was not possible because the moment of scission, the endpoint of the invagination process, was unknown.…”

Initiation de l’endocytose par vésicules de clathrine

“…Ceci est bien illustré par les fréquents treillis plats de clathrine observés à la surface de nombreuses cellules [23]. Le rôle actif de certaines protéines capables de « sculpter » la membrane plasmique a été établi [24][25][26][27]. En revanche, parmi les protéines connues ayant ces propriétés, la plupart ont un rôle tardif lors de la transition, au moment où les puits de clathrine deviennent des vésicules.…”

“…En plus de leur capacité à se lier aux membranes, les domaines BAR ont aussi celle de sentir et d'induire une courbure chez celles-ci [26]. Les domaines F-BAR peuvent également se lier aux membranes et induire une courbure, mais, en raison de la formation d'un angle moins prononcé, ils n'induisent pas de courbure aussi extrême que celle qu'induisent les domaines BAR [27,32]. Le domaine F-BAR des protéines FCHo a une préférence pour le Pi(4,5)P 2 par rapport aux autres lipides [28], ce qui explique pourquoi ces protéines sont exclusivement recrutées à la membrane plasmique, qui est très riche en Pi(4,5)P 2 .…”

“…Lors d'expériences de tubulation in vitro, le domaine F-BAR de FCHo2 est capable de déformer des liposomes en tubes de diamètres allant de 130 à 18 nm selon la concentration de protéines [28]. Plusieurs autres protéines telles que l'amphi physine, SNX9, FBP17, l'endophiline et l'epsine sont impliquées dans la formation de vésicules de clathrine et ont la capacité d'induire une courbure de la membrane [25][26][27]31]. En revanche, toutes ces protéines ont un rôle plus tardif que les FCHo et n'induisent pas la nucléation des puits de clathrine.…”