L’autophagie : définition et description

Dans les années 1960, peu après la découverte des lysosomes (1955), Christian De Duve met en évidence l’autophagie, une forme de dégradation lysosomale qu’il caractérise morphologiquement (De Duve and Wattiaux 1966; Klionsky 2007).

Désignant littéralement une forme d’auto-cannibalisme (du grec, « se manger soi-même »), l’autophagie est un mécanisme de dégradation intracellulaire qui permet de recycler le matériel cytoplasmique et d’éliminer les organites obsolètes (Yang and Klionsky 2010). Plusieurs formes d’autophagie ont été décrites, lesquelles partagent le même destin de dégradation lysosomale mais impliquant un mécanisme différent (Yang and Klionsky 2010). Les trois principales sont (Figure 27) :

- la macroautophagie, où des organites (comme des mitochondries) et des constituants du cytoplasme sont séquestrés dans une vésicule à double membrane, appelée autophagosome. Par la suite, l’autophagosome fusionne avec un endosome et/ou un lysosome, formant ainsi un autolysosome ou autophagolysosome. Cette dernière étape expose le contenu séquestré aux hydrolases lysosomales pour permettre sa dégradation. Les molécules qui en résultent traversent alors la membrane via des perméases et rejoignent le cytosol pour être réutilisées.

- la microautophagie, qui implique cette fois une absorption directe des constituants cytoplasmiques par le lysosome.

- l’autophagie médiée par des protéines chaperonnes, qui permet la translocation directe dans le lysosome de protéines solubles, déroulées.

Dans le cadre de cette thèse, l’accent est mis sur la macroautophagie, ci-après dénommée autophagie.

Figure 27 : Les principales formes d'autophagie. Au cours de la macroautophagie, une double membrane se

forme à partir de membranes existantes, constituant le phagophore, qui va encercler du contenu cytoplasmique. Le phagophore va subir une élongation pour former un autophagosome dans lequel la cargaison est séquestrée. L’autophagosome va alors fusionner avec un lysosome (ou un endosome), formant un autolysosome dans lequel le contenu séquestré est dégradé via des hydrolases lysosomales. Les molécules issues de cette dégradation peuvent alors traverser la membrane lysosomale via des perméases pour retourner dans le cytosol où elles seront réutilisées par la cellule. La microautophagie se réfère quant à elle à une séquestration directe dans le lysosome de composants cytoplasmiques qui entrent par invagination de la membrane lysosomale. L’autophagie médiée par des protéines chaperonne implique la translocation de protéines dans le lysosome via des protéines

chaperonnes (hsp70) et via une glycoprotéine transmembranaire LAMP-2A (lysosomal-associated membrane protein type 2A). Reproduit de (Mizushima, Levine et al. 2008).

Première étape de l’autophagie, la séquestration peut être soit non spécifique, impliquant des contenus cytoplasmiques variés, ou soit sélective, en ciblant des cargaisons spécifiques telles que certains organites (par exemple des mitochondries, désignant alors une mitophagie) ou des microbes envahissants (Mizushima, Levine et al. 2008). Cette étape est caractérisée par la formation d’une double membrane qui va venir englober les constituants indésirables ou des macromolécules de longue vie : c’est le phagophore. L’origine de cette double membrane, riche en lipide et pauvre en protéine, n’est pas encore clairement établie : elle pourrait provenir initialement du réticulum endoplasmique ou de l’appareil de Golgi (Juhasz and Neufeld 2006; Mizushima 2007). La double-membrane représentant le phagophore va progressivement s’allonger pour encercler complètement les constituants à digérer, formant ainsi une vacuole appelée autophagosome (Figure 27).

De nombreux gènes associés à l’autophagie (atg, « autophagy-related gene ») ont été mis en évidence chez la levure. L’autophagie étant un mécanisme très conservé, ces gènes retrouvent leurs homologues chez les mammifères. Ces gènes sont impliqués dans la formation du phagophore et de l’autophagosome. Ces gènes donnent lieu à la formation de complexes protéiques fonctionnels parmi lesquels (Meley, Pattingre et al. 2006; Xie and Klionsky 2007; Yang and Klionsky 2010) :

- le complexe sérine-thréonine kinase Atg1, Atg13 et Atg17, qui agit en aval de la protéine kinase mTOR ;

- le complexe Atg6 (ou bécline 1 chez les mammifères), Atg14, Vps34, Vps15 (« vacuolar protein sorting »), permettant la formation de l’autophagosome (complexe PI3K classe III) ;

- le complexe de conjugaison Atg5/Atg12 ainsi que Atg8 (ou LC3 chez les mammifères) qui subit un clivage et une lipidation avec la phosphatidyléthanolamine, permettant l’élongation de la double-membrane ;

- le complexe Atg2, Atg9, Atg18, système de recyclage.

L'autophagie est régulée à différents niveaux. Deux voies de signalisation connectées englobant la phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) de classe III et la cible mammalienne de la rapamycine (mTOR, « mammalian target of rapamycin ») jouent un rôle majeur dans cette régulation. L'autophagie requiert la voie de signalisation PI3K (classe III), mais est régulée négativement par mTOR (Figure 28). Ainsi, des inhibiteurs de la PI3K agissent comme

inhibiteurs de l'autophagie, tandis que les inhibiteurs de mTOR agissent comme inducteurs de l’autophagie (Tableau 6).

Figure 28 : Modèle simplifié de la régulation de l'autophagie. L’autophagie est active à un niveau basal dans la plupart des cellules de l’organisme, mais elle peut aussi être stimulée en réponse à des signaux de stress, comme en cas de pénurie de nutriments (acides aminés, glucose, acides gras). Une PI3K de classe III est nécessaire à l’activation de l’autophagie et au recrutement des protéines Atg pour la formation du phagophore et de l’autophagosome. A l’inverse, nutriments et facteurs de croissance (activation des récepteurs à insuline) vont activer la voie PI3K classe I/TOR qui va inhiber l’autophagie. L’activité de TOR est probablement régulée par des boucles de rétrocontrôle. Par exemple, la kinase p70S6 est un substrat de TOR qui pourrait limiter son activité, assurant ainsi la maintenance d’un niveau basal de l’autophagie, indispensable à l’homéostasie. Les protéines anti-apoptotiques de la famille Bcl-β inhibent également l’autophagie, en empêchant l’association de bécline 1 (Atg6) avec la PI3K de classe III.

Les protéines en mauve et en vert sont respectivement inhibitrices et activatrices. Les pointillés désignent des régulations envisageables. Reproduit de (Mizushima, Levine et al. 2008).

Mais l’autophagie est un mécanisme encore loin d’être totalement élucidé. Les voies de signalisation impliquées dans la régulation de l’autophagie sont complexes, incluant entre autre celles de l’insuline, mais incluant aussi d’autres voies indépendantes de mTOR (Meijer and Codogno 2006). Par exemple, des études ont montré que les céramides (sphingolipides) peuvent activer l’autophagie en sur-régulant bécline 1 et en inhibant la protéine kinase B (PKB), également appelée Akt (Scarlatti, Bauvy et al. 2004).