δ’autophagie est un mécanisme de dégradation cellulaire dont le terme provient du grec auto et phagos et signifie « se manger soi-même ». Ce terme a été introduit par Christian De Duve lors de la découverte et la caractérisation des fonctions du lysosome, un organite de digestion intracellulaire, qui contient de nombreuses hydrolases actives à pH acide (De Duve & Wattiaux, 1966).
δ’autophagie est un processus très conservé de la levure aux mammifères, et également présent chez les plantes (Reggiori & Klionsky, 2002). Cependant, le mécanisme moléculaire et le nombre d’acteurs évoluent avec la complexité des organismes. En effet, l’autophagie a été initialement décrite chez la levure grâce à la découverte des gènes Atg (AuTophaGy-related gene) dont la dénomination est issue de la nomenclature adoptée pour les eucaryotes supérieurs (Klionsky et al., 2003). La plupart des gènes Atg possèdent leur homologue chez les mammifères. Néanmoins, de nombreuses zones d’ombre persistent et de nombreux travaux seront encore nécessaires avant d’appréhender complètement ce processus. Récemment, l’analyse du protéome global de l’autophagie a été réalisée dans des cellules humaines et a permis de caractériser plusieurs centaines de protéines partenaires impliquées dans divers processus. Cette étude a fourni un aperçu global du réseau interactionnel des protéines de l’autophagie et constitue une avancée considérable dans la caractérisation du mécanisme moléculaire de l’autophagie chez l’homme (Behrends et al., 2010).
Trois types de processus autophagiques ont été décrits à ce jour : la microautophagie, l’autophagie dépendante des chaperonnes (Chaperon-Mediated Autophagy, CMA) et la macroautophagie. Toutes ces formes d’autophagie ont la même finalité qui est la dégradation irréversible des constituants cellulaires par les enzymes lysosomales. Cependant, la différence entre ces trois formes réside dans la nature des constituants cellulaires dégradés et dans le processus par lequel ces constituants sont acheminés aux lysosomes (Figure 7).
1.1)-La microautophagie
La microautophagie est la forme la moins étudiée de l’autophagie chez les eucaryotes. Elle est caractérisée par la séquestration de portions du cytoplasme par invagination de la membrane du lysosome (Dunn, 1994; Marzella et al., 1981). Cette dégradation est sensible aux variations de pH et à la présence d’inhibiteurs de protéases (Ahlberg et al., 1982). Elle
52 concerne des organites aussi bien que des protéines solubles à longue ou à courte durée de vie.
1.2)-L’autophagie dépendante des chaperonnes ou CMA
δa CεA est une forme sélective de l’autophagie présente uniquement chez les mammifères (Cuervo, 2010). Elle est présente à un niveau basal dans certains tissus tels que le foie, le rein et le cœur mais elle est également activée en conditions de stress prolongé. Elle est également induite lors de l’inhibition de la forme majeure de l’autophagie, la macroautophagie, remplaçant alors de manière constitutive cette dernière (Dice, 2007; Kaushik et al., 2008). Une de ses principales différences avec la macroautophagie est sa sélectivité. En effet, la CεA ne dégrade pas d’organites mais uniquement les protéines cytosoliques qui possèdent dans leur séquence le motif pentapeptidique KFERQ (Dice, 1990). Ce motif de ciblage est reconnu par la protéine chaperonne HSC70 puis ce complexe, régulé par plusieurs chaperonnes et co-chaperonnes (Agarraberes & Dice, 2001), transite dans le cytoplasme avant son adressage à la membrane du lysosome où il est reconnu par le récepteur membranaire de la CMA, la protéine LAMP2A (Cuervo & Dice, 1996). Une fois liée à LAMP2A, la protéine substrat dépliée traverse la membrane du lysosome aidée dans ce processus par la forme lysosomique de HSC70 (lys-HSC70) présente dans la lumière du lysosome. La protéine cible est ensuite dégradée par les hydrolases lysosomales (Agarraberes et al., 1997).
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1.3)-La macroautophagie
La macroautophagie est la forme principale du processus autophagique. Dans ce manuscrit, nous utiliserons l’appellation générale d’autophagie. A la différence des autres formes, elle est caractérisée par la formation de vésicules intracellulaires appelées autophagosomes. C’est un processus par lequel les eucaryotes dégradent leurs propres constituants cellulaires tels que les protéines à longue durée de vie et les organites comme la mitochondrie. Cette dégradation est dite non sélective ou non spécifique. δ’autophagie comporte plusieurs étapes (Figure 8). Premièrement, une étape d’initiation qui implique la formation des phagophores et la séquestration du matériel à dégrader (1). Cette étape est suivie par l’élongation des phagophores jusqu’à la formation d’autophagosomes (2). Une étape de maturation (3) conduit à la fusion des autophagosomes avec les composants du système endomembranaire puis avec les lysosomes. Finalement, ce mécanisme s’achève par la dégradation du contenu vésiculaire par les enzymes du lysosome (4).
Figure 8 : Les différentes étapes de la macroautophagie. 1 : Initiation qui implique la séquestration du matériel
à dégrader à l’intérieur de doubles membranes pré-existantes appelées phagophores. 2 : Elongation et courbure des phagophores jusqu’à la formation complète de l’autophagosome. 3 : Maturation qui se traduit par la fusion des autophagosomes avec des constituants du système endomembranaire (endosomes précoces et tardifs ou les corps multivésiculaires) pour donner des amphisomes. Dans un deuxième temps, les amphisomes fusionnent avec les lysosomes pour former les autophagolysosomes. 4 : Dégradation des protéines et organites par les enzymes lysosomales. εodifié d’après Maiuri et al., 2007a.
54 δ’autophagie peut être décrite comme sélective lorsqu’elle fait intervenir des protéines connues sous le nom d’adaptateurs de l’autophagie. δes adaptateurs caractérisés à ce jour sont les protéines p62/SQSTM1 (Sequestesome 1) et NBR1 (Neighbour of BRCA1) (Kirkin et al., 2009; Pursiheimo et al., 2008). p6β est une protéine marqueur de l’activité du flux autophagique puisqu’elle est dégradée spécifiquement par ce processus. Mais cette protéine peut également intervenir en tant qu’adaptateur et induire la dégradation spécifique de substrats cytosoliques via sa liaison à des protéines et agrégats ubiquitinylés. Cette interaction fait intervenir son domaine de liaison à l’ubiquitine (UBA, UBiquitin-Associated domain). Elle peut également interagir avec les formes liées aux phospholipides des protéines Atg8 via son domaine LIR (LC3-interacting domain) et ainsi cibler les protéines agrégées ubiquitinylées vers les autophagosomes (Noda et al., 2010; Pankiv et al., 2007). Un défaut du processus autophagique a notamment été décrit pour induire une accumulation de la protéine p62 et est associé à plusieurs maladies telles que les maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer, Huntington et Creutzfeld-Jacob) (Komatsu et al., 2007; Yue et al., 2009). Très récemment, une différence dans le mode de liaison à la protéine p62 a été décrite entre les protéines de la famille Atg8. Dans cette étude, les auteurs ont montré que les formes solubles des protéines LC3 et GABARAPL2 lient la protéine p62 alors que seule la protéine LC3 sous sa forme lipidée (LC3-II) lie la protéine p62 et permet son recrutement aux autophagosomes et donc sa dégradation. De plus, les auteurs ont également montré que l’interaction de δCγ à p62 nécessite les acides aminés de l’hélice α N-terminale. Ces résultats suggèrent ainsi que la protéine δCγ est responsable de l’incorporation sélective de p6β dans les autophagosomes et que ce processus est dépendant des acides aminés en position N-terminaux de la séquence protéique de LC3 (Shvets et al., 2011).
Une autre forme d’autophagie sélective a récemment été décrite : la mitophagie (Kim et al., 2007). En effet, la mitochondrie est le siège de la production d’énergie ainsi que des phosphorylations oxydatives. Un des produits générés au cours de ces réactions sont les espèces réactives de l’oxygène qui sont responsables en très grande partie des dommages subis par les mitochondries. Ces mitochondries endommagées produisent alors davantage d’espèces oxygénées libres qui ont été décrites pour jouer un rôle important au cours de plusieurs maladies telles que le cancer et les maladies neurodégénératives (Wallace, 2005). Ainsi, le maintien de l’homéostasie cellulaire implique la dégradation de ces mitochondries endommagées et un de ces processus de dégradation est la mitophagie. Cette dégradation spécifique des mitochondries a été observée dans plusieurs types cellulaires tels que les
55 hépatocytes (Elmore et al., 2001) et les cellules neuronales (Xue et al., 2001) et semble jouer un rôle important pendant la différenciation des réticulocytes (Zhang et al., 2009a). Plusieurs molécules sont nécessaires à la dégradation des mitochondries par autophagie chez la levure et les mammifères telles que les protéines Uth1, Atg32, BNIP3L (Bcl-2/E1B 19 kDa- interacting protein 3-like), ULK1, et Parkin (Glick et al., 2010; Novak et al., 2010). Chez les mammifères, Nix est localisée au niveau de la membrane externe de la mitochondrie et est considérée comme un récepteur impliqué dans l’autophagie sélective des mitochondries endommagées. En effet, durant la maturation des réticulocytes, Nix interagit avec les protéines de la sous-famille GABARAP, notamment avec GABARAPL1, et permet le recrutement de ces protéines à la mitochondrie cible, activant ainsi leur incorporation sélective dans les autophagosomes (Novak et al., 2010; Zhang & Ney, 2008).