In eukaryotic cells, transport vesicles, which are tiny membrane-bound shuttles transport and secrete molecules between different subcellular compartments. SNARE [soluble NSF (N- ethylmaleimide-sensitive fusion protein) attachment protein receptor] proteins constitute the core machinery that drives the fusion of transport vesicles to their target membrane. SNAREs assemble into a tight complex of four helices between the opposing membranes. SNARE protein sequences are highly conserved and can be classified into four main types (Qa-, Qb-, Qc- and R-SNAREs), reflecting their position in the helical complex. Among the four principal types, 20 SNARE subtypes can be distinguished. Particular sets of SNARE types are involved in different trafficking steps in the cell. It is still debated, however, whether SNARE proteins assemble only into sets that function in a given trafficking step. Here, I established an assay to follow the assembly of the cognate set of SNAREs essential for the fusion of Golgi vesicles to the endoplasmic reticulum. Using this, I carried out exchange experiments with SNARE kinds from other sets and found that most non-cognate combinations can assemble into a complex as long as the four different basic types (Qa, Qb, Qc, R) are present. As SNARE complex formation was much less selective than anticipated, I used this approach to characterize the behavior of putative SNARE-sequences found in viruses and prokaryotes. I found that the SNARE-like proteins originating from viruses and Gram-negative Legionellales appear to be true SNARE proteins that, very likely, were acquired through lateral gene transfer from their eukaryotic hosts. With their elaborate endomembrane system it is thought that eukaryotes arose from a merger of a bacterium, which gave rise to mitochondria, and an archaeon, and therefore, insights into the origins of SNARE proteins could shed light onto the origins of membrane trafficking. Accordingly, I characterized prokaryotic SNARE-like proteins that could be ancestral to eukaryotic SNAREs, one from an α-protobacterium and two from Heimdallarchaeota. The experiments showed that the archaeal SNARE-like proteins could form complexes with eukaryotic SNARE proteins, suggesting that the diverse set of eukaryotic SNAREs evolved from an archaeal precursor.
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Dans les cellules eucaryotes, les vésicules de transport, qui sont de minuscules navettes membranaires, transportent et sécrètent des molécules entre différents compartiments sous- cellulaires. Les protéines SNARE [récepteur soluble de la protéine de fusion sensible au N- éthylmaléimide (NSF)] constituent le mécanisme central qui entraîne la fusion des vésicules de transport vers leur membrane cible. Les SNAREs s'assemblent en un complexe serré de quatre hélices entre les membranes opposées. Les séquences de protéines SNARE sont hautement conservées et peuvent être classées en quatre types principaux (Qa-, Qb-, Qc- et R- SNAREs), reflétant leur position dans le complexe hélicoïdal. Parmi les quatre types principaux, on peut distinguer 20 sous-types SNARE. Des ensembles particuliers de types SNARE sont impliqués dans différentes étapes du trafic dans la cellule. Cependant, la question de savoir si les protéines SNARE s'assemblent uniquement en ensembles qui fonctionnent en une étape de trafic donnée fait toujours l'objet d'un débat. Ici, j'ai établi un test pour suivre l'assemblage de l'ensemble apparenté de SNARE essentiel pour la fusion des vésicules de Golgi au réticulum endoplasmique. En utilisant cela, j'ai effectué des expériences d'échange avec des types de SNARE d'autres ensembles et j'ai constaté que la plupart des combinaisons non apparentées peuvent s'assembler en un complexe tant que les quatre types de base différents (Qa, Qb, Qc, R) sont présents. Comme la formation des complexes SNARE était beaucoup moins sélective que prévu, j'ai utilisé cette approche pour caractériser le comportement des séquences SNARE putatives que l'on trouve dans les virus et les procaryotes. J'ai découvert que les protéines de type SNARE provenant des virus et des légionelles à Gram-négatives semblent être de véritables protéines SNARE qui, très probablement, ont été acquises par transfert latéral de gènes de leurs hôtes eucaryotes. Avec leur système endomembranaire élaboré, on pense que les eucaryotes sont nés de la fusion d'une bactérie, qui a donné naissance aux mitochondries, et d'une archée, et donc, les connaissances sur les origines des protéines SNARE pourraient éclairer les origines du trafic membranaire. En conséquence, j'ai caractérisé des protéines procaryotes de type SNARE qui pourraient être ancestrales aux SNARE eucaryotes, une venant d'une α-protéobactérie et deux venant de Heimdallarchaeota. Les expériences ont montré que les protéines archéales de type SNARE pouvaient former des complexes avec les protéines SNARE eucaryotes, ce qui suggère que l'ensemble diversifié de SNARE eucaryotes a évolué à partir d'un précurseur archéal.