II.3.2.1 Généralités.
Plusieurs arguments ont été avancés dans la littérature en faveur d’un rôle du céramide comme inhibiteur de la croissance cellulaire et/ou inducteur de mort cellulaire, en particulier d’apoptose (Figure 22) :
De nombreux signaux de stress cellulaire induisent une accumulation de céramide physiologique dans différents types cellulaires sensibles, mais pas dans les cellules résistantes à la toxicité induite par ces signaux. Ces signaux sont très divers. En effet, il peut s’agir de cytokines, telles que l’IL1-!, des ligands des récepteurs de mort (cf. chapitre II.3.2.2.), d’agents chimiothérapeutiques (tels que la daunorubicine, l’étoposide, la cytarabine), de stress environnementaux (tels que les radiations ionisantes, des UV), d’un choc thermique, de l’hypoxie, d’une privation en facteur de croissance, d’infections virales ou bactériennes. Ces élévations de céramide sont la résultante de la régulation d’une ou de plusieurs enzymes du métabolisme des sphingolipides. Elles varient en terme d’intensité et de cinétique, selon le
stress inducteur, le type cellulaire ainsi que la nature des enzymes du métabolisme des sphingolipides mises en jeu. Dans la plupart des cas, ces élévations ont lieu avant ou de façon concomitante à l’apparition de caractéristiques morphologiques de mort cellulaire, laissant supposer qu’elles puissent avoir un rôle causal dans certaines signalisations de mort.
La synthèse de novo de céramide intervient dans la mort cellulaire induite par différents stimuli. Ainsi, il a initialement été mis en évidence que l’incubation de lignées cellulaires leucémiques avec de la daunorubicine, un agent chimiothérapeutique anti-cancéreux, induit une élévation de céramide attribuée à une activation de sa synthèse de novo (Bose et al., 1995). De plus, une activation de la sérine palmitoyltransférase a également été impliquée dans l’apoptose induite par l’étoposide dans des cellules leucémiques humaines MOLT-4 (Perry et al., 2000). Une activation de la synthèse de novo pourrait également être impliquée dans l’élévation de céramide et l’AICD de cellules B (Kroesen et al., 2001). Les SMases sont également activées et impliquées dans la mort cellulaire induite par divers stimuli, tels que certains agents chimiothérapeutiques, le choc thermique, l’ischémie/reperfusion et l’action de certaines cytokines. Par exemple, des études indiquent l’implication de l’activation de SMases acide et neutre dans la mort induite par l’irradiation, in vitro et in vivo (Santana et al., 1996 ; Haimovitz-Friedman et al., 1994). De façon intéressante, une absence d’activation de SMase neutre a été observée dans des cellules myéloides résistantes à l’irradiation (Bruno et al., 1998). L’activation de SMases, pouvant résider ou être recrutées à la membrane plasmique, plus spécifiquement au sein de microdomaines riches en SM, intervient dans la génération de céramide en réponse à la liaison de certains ligands de récepteurs, tels que l’IL1-! (Liu & Anderson, 1995). La génération de céramide par l’activation d’une SMase neutre au sein des microdomaines a aussi été observée en réponse à certaines molécules de chimiothérapie, comme l’aracytidine et la daunorubicine (Grazide et al., 2002). Les SMases ont, par ailleurs, été impliquées dans la mort induite par les ligands des DR (cf. chapitre II.3.2.2). Le taux de céramide peut également être modulé par les céramidases qui le dégrade en sphingosine, sphingolipide favorisant la mort cellulaire. L’accumulation de céramide peut également être la résultante d’une inhibition de sa transformation en sphingolipides plus complexes. Ainsi, plusieurs arguments dans la littérature ont également mis en évidence une inhibition de l’activité de synthèse de SM participant à l’accumulation de céramide dans des cellules sensibles à certains stress (cf. chapitre II.4).
Les élévations de céramide et la mort cellulaire peuvent être induites en incubant les cellules en présence de céramides exogènes ou des analogues de céramide. Dans la majorité des cas, l’incubation de cellules avec des céramides exogènes, qu’il s’agisse de chaines courtes (C2 ou C6 classiquement) ou longues (C16, un céramide naturel), favorise une mort de type apoptotique. Ainsi, l’incubation de cellules Jurkat avec du C2 céramide induit une activation de la caspase 3 et un inhibiteur des caspases effectrices empêche l’apoptose induite par le C2-ceramide ou par une SMase exogène (Tepper et al., 1997). Le traitement de types cellulaires très divers, comme les cellules U937, une lignée de lymphome humain ou des cellules endothéliales cérébrales bovines par du C2-céramide induit l’apparition d’une fragmentation internucléosomale de l’ADN (Xu et al., 1998 ; Obeid et al., 1993). Le traitement de cellules de carcinome colique avec des analogues de céramide induit un relargage du cytochrome c et une activation des caspases conduisant à l’apoptose (Selzner et al., 2001). Par ailleurs, l’incubation de cellules HeLa avec du C6-céramide, qui est métabolisé au sein de la cellules en sphingosine, provoque une fragmentation de l’appareil de Golgi suivi du détachement de la cellule de son support et d’une mort par anoïkis (Hu et al., 2005).
Le céramide, produit de façon endogène en réponse à certains stress, ou ajouté dans le milieu de culture, activerait la voie mitochondriale de l’apoptose. La mort induite par le céramide ou des analogues de céramide, s’accompagne en effet d’une perméabilisation de la membrane mitochondriale et sa cytotoxicité peut être inhibée par la surexpression de protéines anti-apoptotiques Bcl-2 ou Bcl-XL (Zhang et al., 1996 ; Granot et al., 2006 ; Allouche et al., 1997 ; Sawada et al., 2000). De plus, des cellules carcinomateuses déficientes en Bax résistent à l’apoptose induite par le C2-céramide (von Haefen et al., 2002). Il a également été mis en évidence que le céramide pouvait avoir un effet inhibiteur sur la fonction mitochondriale, par exemple en inhibant des composants de la chaine respiratoire (Gudz et al., 1997 ; García-Ruiz et al., 1997). Par ailleurs, une étude d’expression ectopique d’une SMase bactérienne dans différents organites cellulaires montre que seule une SMase adressée à la mitochondrie induit l’apoptose des cellules MCF-7, suggérant qu’une élévation de céramide, qui pourrait potentiellement favoriser la translocation de Bax au sein de ce compartiment, est particulièrement délétère pour la cellule (Birbes et al., 2001 : Birbes et al., 2005). Enfin, le céramide lui-même pourrait former des pores au sein de la membrane mitochondriale et ainsi moduler sa perméabilité (Siskind, 2005 ; Colombini, 2010).
Des élévations de céramide, en réponse, ou non, à des signaux de stress cellulaires peuvent être régulées en modulant génétiquement ou pharmacologiquement l’activité des enzymes responsables de son accumulation. Par exemple, l’inhibition de la synthèse de novo de céramide par la fumonisine B1 est un des arguments ayant permis de mettre en évidence son implication dans l’apoptose induite par la daunorubicine (Bose et al., 1995), mais aussi par l’étoposide et l’angiotensine II. L’implication d’une SMase acide dans différentes signalisations de stress, notamment suite à la stimulation de CD95 (cf. chapitre II.3.2.2) a été largement étudiée via l’utilisation de cellules dérivées de souris KO pour la SMase acide. De plus, des cellules déficientes en SMase acide résistent aux radiations ionisantes (Santana & others, 1996) et aux UVA (Zhang, 2001). Par ailleurs, le traitement de cellules de carcinome colique avec le B13, un inhibiteur de céramidase, induit une élévation de céramide et leur mort par apoptose (Selzner et al., 2001). Concernant le rôle de la synthèse de glucosylcéramide et de gangliosides qui en dérivent, une partie de la littérature suggère qu’elle pourrait également être considérée comme un moyen de promouvoir la survie cellulaire. Plusieurs études concernant le glucosylcéramide se sont concentrées sur son action en tant que promoteur de la résistance à des molécules de chimiothérapie anti-tumorale. L’inhibition de l’activité de synthèse de glucosylcéramide a été montrée comme capable d’induire la mort de cellules MDR (Multi Drug Resistant) (Nicholson et al., 1999). Il a également été mis en évidence que plusieurs lignées de cellules cancéreuses de différents types, résistantes à la doxorubicine, présentent une augmentation d’expression et d’activité GCS, et que la diminution de l’expression de cette enzyme permettait de les sensibiliser à la mort induite par cet agent chimiothérapeutique (Liu et al., 2008). Il a par ailleurs été observé que des cellules leucémiques de patients chimiorésistants présentent une activité GCS augmentée (Itoh et al., 2003). Certaines études ont toutefois minimisé depuis l’importance de la conversion du céramide en glucosylcéramide dans la chimiorésistance (Veldman et al., 2003). De plus, il est à noter que le glucosylcéramide est lui même le précurseur de nombreux gangliosides qui seraient également capables de moduler la chimiosensibilité. Par exemple, le ganglioside GM3 pourrait participer à la résistance à la doxorubicine et à l’étoposide de cellules carcinomateuses pulmonaires en induisant une augmentation de l’expression de Bcl-2 (Noguchi et al., 2006). De façon intéressante, la conversion de céramide en glycosphingolipides pourrait aussi influencer d’autres phénomènes tels que la transition épithélio-mésenchymateuse, un processus clé dans l’invasion tumorale et le processus métastatique (Guan et al., 2009).
Le céramide pourrait exercer son activité cytotoxique en agissant directement sur des cibles protéiques, dont certaines ont été identifiées, et pourraient moduler la survie cellulaire en agissant dans différents organites. Il a ainsi été mis en évidence que le céramide pouvait se lier et activer des CAPP (Ceramide Activated Protein Phosphatases), PP1 et PP2A (Chalfant, 2003). Par exemple, le céramide, généré par la voie de synthèse de novo, est capable d’activer PP1 qui déphosphoryle les protéines d’épissage SR, conduisant à une diminution des formes BcLXL et caspase 9b, inhibitrices d’apoptose, au profit des formes pro-apoptotiques BCLXS et caspase 9 (Chalfant, 2002). Le groupe de Yusuf Hannun a également montré que la privation en sérum dans des cellules MOLT-4 s’accompagnait d’une élévation de céramide à l’origine d’une déphosphorylation de pRb conduisant à un arrêt en G0/G1 (Dbaibo et al., 1995). Le céramide pourrait également induire l’inhibition de Akt/PKB et PKC$ par déphosphorylation (Lee et al., 1996 ; Zhou et al., 1998). Plusieurs autres protéines, telles que PKC+, KSR (Kinase Suppressor of Ras), JNK ainsi que la cathepsine D pourraient être activées par le céramide. Il est à noter, toutefois, que ces études n’ont pas apporté de preuve claire de l’existence de ce type d’interaction physique dans la cellule dans le cadre d’une production de céramide endogène en réponse à un stress.
Le céramide peut également induire des morts cellulaires indépendantes des caspases. Ainsi, le traitement de différents types cellulaires par du TNF en présence d’inhibiteur de caspases s’accompagne d’une élévation de céramide qui intervient dans l’induction de mort (Thon et al., 2005). L’incubation de cellules Jurkat avec des analogues de céramide induit une mort cellulaire partiellement inhibée par le zVAD fmk, suggérant que cette mort est en partie caspase-indépendante (Granot et al., 2006). Dans certains cas, la mort de type nécrotique induite par le céramide pourrait également mettre en jeu une perte de fonction mitochondriale (Arora et al., 1997). Le céramide pourrait également induire la macroautophagie dans certaines cellules (Scarlatti, 2004). Il a également été suggéré que ce lipide bioactif pouvait participer à l’induction de l’autophagie, puis à une mort faisant suite à ce processus, via la diminution d’expression de transporteurs d’acides aminés et de glucose (Guenther et al., 2008). Ainsi, les auteurs de cette étude ont décrit que l’ajout de céramide exogène, mais également le traitement de cellules avec de la SMase exogène ou avec de la daunorubicine qui induit une élévation intra-cellulaire de céramide, résultait en une diminution de l’expression des transporteurs de nutriments (Guenther et al., 2008).
L’accumulation de céramide au sein des radeaux lipidiques peut favoriser le regroupement de récepteurs membranaires, tels que les DR, et ce regroupement participerait à l’induction de la mort cellulaire par ces récepteurs (cf. chapitre II.3.2.2). Certains agents chimiothérapeutiques ou stress cellulaires ont également été proposés comme induisant une augmentation de céramide au sein de ces microdomaines et favorisant ainsi la signalisation émanant de ces récepteurs, en présence ou non de leur ligand. De plus, des microdomaines enrichis en certains sphingolipides et glycosphingolipides, existent également au sein de certains organites cellulaires, notamment la mitochondrie et le RE, et pourraient donc également y jouer un rôle de modulation de la signalisation.
II.3.2.2 Rôle du céramide dans la réponse aux ligands des récepteurs de mort.
Plusieurs études suggèrent l’implication d’élévation de céramide dans la mort induite par les ligands des DR. Elles peuvent être la résultante d’une augmentation de la synthèse de
novo, d’une inhibition de sa dégradation, d’une activation de l’hydrolyse de sphingolipides
complexes, ou d’une inhibition de la synthèse de ces sphingolipides. L’implication de la
Figure 22. Principaux modes d’action du céramide. Plusieurs signaux de stress modulent le métabolisme sphingolipidique et favorisent une augmentation du taux de céramide. Le céramide produit peut agir à différents niveaux pour induire l’apoptose ou l’arrêt dans le cycle cellulaire. CAPP : Ceramide Activated Protein Phosphatases.
synthèse de SM sera développée dans le chapitre suivant. Plusieurs enzymes peuvent donc être régulées de façon séquentielle ou concomitante en réponse à un même stimuli. L’élévation de céramide peut donc être multiphasique et avoir lieu dans des compartiments subcellulaires divers au sein desquels ce lipide pourrait avoir des rôles spécifiques.