Les caspases

Les caspases sont des protéases hautement conservées au cours de l’évolution et qui sont responsables de l’apparition des phénomènes morphologiques et biochimiques caractéristiques de l’apoptose. Leur découverte découle de l’étude génétique des composantes moléculaires des mécanismes apoptotique du nématode C. elegans. De façon remarquable, l’appareil apoptotique fut hautement conservé à travers l’évolution et c’est ainsi que CED-3, une protéase apoptotique du nématode, fut identifiée comme étant l’homologue de l’enzyme de conversion de l’interleukine-1 β (ou ICE selon l’abréviation anglaise) chez l’humain (Yuan et al., 1993). À la suite d’analyse d’hybridation croisée, il

fut déterminé que le génome humain code pour une douzaine de protéines homologues à ICE impliquées dans l’association et la dégradation de divers substrats (Nakata et al., 1997).

Des études biochimiques démontrent que le site actif de ces enzymes reconnaît spécifiquement les liens Asp-Xxx permettant ainsi le clivage du substrat après les résidus d’acide aspartique. C’est en raison de cette spécificité catalytique que ces protéases reçurent le nom définitif de caspases (cysteine aspartate protease) (Alnemri et al., 1996). Dans la famille des caspases, la fonction est déterminée par la spécificité de l’enzyme envers le substrat. Ainsi les caspase-1, -4, -5, -11, -12 et -14 sont impliquées dans la maturation des cytokines alors que les caspases-3, -6, -7, -8, -9 et -10, jouent divers rôles dans l’apoptose. La spécificité des caspases provient de courtes séquences conservées de quatre acides aminés jouxtant le site de clivage, favorisant la reconnaissance et la liaison aux substrats (Thornberry et al., 1997).

Cependant, comme c’est le cas de la plupart des protéases cellulaires, les caspases sont initialement synthétisées sous une forme inactive (zymogène), comprenant trois domaines distincts : un pro-domaine suivi des domaines p20 et p10. Sous leurs formes actives, les caspases sont constituées en hétérotétramères, contenant deux sous-unités hétérodimériques construites à partir de l’assemblage des domaines p20 et p10. Sur la base de résultats obtenus lors d’études d’analyse conformationnelle, il existe trois mécanismes expliquant l’activation des caspases : (1) l’activation protéolytique, (2) l’activation induite par effet de proximité et (3) l’activation par association de sous-unités régulatrices (Hengartner, 2000; Kaufmann et Hengartner, 2001).

1.4.4.1 Activation protéolytique des caspases

Ce premier mécanisme concerne principalement le mode d’activation des caspase-3, -6 et -7 qui se distinguent par le fait qu’elles possèdent un petit prodomaine. Ces caspases sont considérées comme les véritables effectrices, étant responsables de la majeure partie

des effets découlant du processus apoptotique. Pour cette raison, elles sont également plus abondantes que leurs homologues pourvus d’un long prodomaine, soit les caspases-2, -8, -9 et -10, aussi désignées sous le terme de caspases initiatrices (Hengartner, 2000).

Les caspases effectrices sont activées par clivage protéolytique survenant entre les domaines p20 et p10 et aussi entre le domaine p20 et le prodomaine. Il est également intéressant de remarquer que ces différents clivages se produisent tous sur un site Asp-Xxx, qui est le site de clivage spécifique des caspases, ce qui suggère la possibilité de l’existence d’un mécanisme d’activation autocatalytique (Thornberry et al., 1997). Ce mécanisme d’activation en cascade est utilisé abondamment par les cellules apoptotiques puisque, en effet, rien n’est plus simple que d’activer une caspase au moyen de l’action catalytique d’une autre caspase. Il constitue aussi un moyen favorisant l’amplification et l’intégration du signal apoptotique. Cependant en dépit de sa grande simplicité, ce mécanisme ne permet pas d’expliquer comment sont activées les caspases responsables de l’initiation du signal. 1.4.4.2 Activation par effet de proximité : la voie extrinsèque

L’activation de la procaspase-8, une des protéases initiatrices jouant un rôle clé du processus apoptotique, nécessite l’activation des récepteurs de la mort cellulaire tel CD95 (Apo-1/Fas) de la famille du TNF. À la suite de la liaison de FasL sur son récepteur Fas, ce dernier se trimérise, provoquant au niveau de la queue cytoplasmique le recrutement des molécules adaptatrices telles FADD (Fas-associated protein with death domain) et MORT1, qui expriment des domaines effecteurs de mort DED (death effector domain) (Boldin et al., 1995; Chinnaiyan et al., 1995). Ces domaines sont reconnus par des modules d’interactions protéine-protéine (DED) identiques à ceux de FADD, présents à l’intérieur du long prodomaine de la procaspase-8, permettant ainsi l’association de FADD/MORT1 et la procaspase-8, via des interactions DED/DED (Hengartner, 2000). Ce recrutement crée donc un effet localisé de proximité provoqué par le rapprochement de plusieurs molécules de procaspase-8 à l’intérieur d’un domaine nommé DISC (death-inducing signal complex). Dans ces conditions de promiscuité, le modèle suggère que la faible activité auto-

catalytique associée aux zymogènes est suffisante pour permettre l’activation des premières molécules de procaspase-8 en protéase active (Muzio et al., 1998). À partir du moment où la caspase-8 est active, elle entame l’activation accélérée de la procaspase-3 et dans certains cas, elle procède aussi à l’activation de Bid, un membre de la superfamille de Bcl-2, qui influencera l’activité pro-apoptotique de la mitochondrie.

1.4.4.3 Activation par association de sous-unités régulatrices : la voie intrinsèque

La mitochondrie n’est pas seulement la centrale énergétique de la cellule, elle est aussi un véritable arsenal. En effet, lors de l’enclenchement du processus apoptotique, les mitochondries subissent des changements de perméabilité membranaire qui causeront le relargage de plusieurs protéines pro-apoptotiques comme AIF (apoptosis-inducing factor) (Susin et al., 1999), Smac/Diablo (Du et al., 2000; Verhagen et al., 2000), et Apaf-1 (Green, 2005). De plus, d’autres protéines comme le cytochrome c, dont la fonction première est de transporter les électrons dans la chaîne respiratoire, seront également libérées dans le cytosol pour prendre part à la destruction de la cellule (Ow et al., 2008). Plusieurs de ces protéines seront requises pour permettre l’activation de la procaspase-9 dans le cytosol de la cellule.

Contrairement aux autres mécanismes activateurs décrits ci-haut, l’activation de la procaspase-9 par les voies de la protéolyse est peu efficace (Rodriguez et al., 1999; Stennicke et al., 1999) et pour atteindre un état d’activation complet, la procaspase-9 a plutôt recours à l’association avec deux cofacteurs. Le premier cofacteur découvert fut Apaf-1 et le second est le cytochrome c (Ow et al., 2008). L’association de ces trois protéines forme un immense complexe oligomérique, nommé apoptosome qui, dans sa forme complète, contient sept molécules Apaf-1, liées à sept protéines de cytochrome c et sept molécules de procaspses-9, formant une structure symétrique circulaire. Chaque molécule Apaf-1 contient dans son domaine N-terminal un domaine CARD (caspase recruitement domain) servant à l’interaction avec le même domaine CARD présent dans le long prodomaine de la procaspase-9. Le cytochrome c, pour sa part, effectue sa liaison sur

la portion C-terminale d’Apaf-1, qui est riche en répétition des acides aminés tryptophane et acide aspartique (Ow et al., 2008). En dernière analyse, la caspase-9 activée constitue une holoenzyme et représente un énorme complexe qui participe à l’activation de la procaspase-3 (Rodriguez et al., 1999).