La machinerie moléculaire du processus autophagique

Les études effectuées afin de comprendre les mécanismes qui régulent l’autophagie ont commencé par l’identification des gènes liés à l’AuTophaGie (ATG), initialement chez la levure (Ohsumi, 1997; Ohsumi et al., 1993). Au jour d’aujourd’hui, plus de 30 gènes ATG ont été clonés. Ainsi, les gènes ATG chez les mammifères ont été identifiés montrant une conservation élevée en comparaison avec les gènes de la levure (Klionsky et al., 2003). L’ensemble des protéines ATG est impliqué dans les différentes étapes du processus autophagique à savoir: la formation de la membrane isolante, l’immersion du cytoplasme, la formation de vésicules autophagiques, et enfin la fusion avec les lysosomes. Ces gènes représentent donc le centre de la machinerie autophagique. Un résumé du rôle des différentes protéines ATG au cours du processus autophagique est illustré dans le Tableau 2.

Le processus autophagique est constitué de plusieurs étapes en commençant par l’étape de l’initiation (formation d'une structure preautophagosomale conduisant à une membrane d'isolement, ou phagophore), l'allongement de la vésicule, la maturation des autophagosomes et la séquestration du matériel à dégrader, et la fusion des autophagosomes aux lysosomes. Au cours de la dernière étape, le contenu autophagosomal est dégradé par les acides hydrolases lysosomiques et le contenu de l’autolysosome est ensuite libéré pour le recyclage métabolique (D’après Augustine C et al., N Engl J Med, 2013).

L’ensemble des protéines ATG essentiel à la formation des autophagosomes est composé de quatre sous-groupes (Yang and Klionsky, 2010):

 Le complexe ATG1/UNC-51-like kinase (ULK) avec les protéines ATG13 et ATG17 pour l’induction de l’autophagie,

 La classe III du complexe Phosphatidylinositol 3-kinase composé de Vps34, ATG6/Beclin 1 et ATG14 est impliquée dans la formation des autophagosomes,

 Les protéines ATG12 et ATG8/LC3 qui composent les systèmes de conjugaison impliqués dans l’expansion des membranes des autophagosomes,

 ATG9 et son complexe qui participe à la formation des membranes formant les autophagosomes,

 Et enfin un ensemble de protéines nécessaire à la fusion des autophagosomes aux lysosomes pour la dégradation du matériel séquestré.

II.2.1 Le complexe ATG1/UNC-51-like kinase (ULK)

La protéine ATG13 est l’un des cibles de la kinase TOR2 (Target Of Rapamycin 2) (Kamada et al., 2000). En effet, en présence des facteurs de croissance, la kinase TOR2 est activée. Ainsi elle

Tableau 2: Les protéines majeures régulatrices de l’autophagie dans les cellules mammifères(D’après Augustine C et al., N Engl J Med, 2013).

à la formation de vésicules lysosomales mais pas à celle des autophagosomes (Abeliovich et al., 2003). Au cours de la privation en nutriments, TOR2 est inhibée; ceci est le résultat de l’activation des phosphatases et la déphosphorylation partielle de ATG13. ATG13 déphosphorylée s’associe donc à ATG1 et l’active. Ceci permet le recrutement de ATG17 et la formation du complexe ATG1-ATG13-ATG17. Ce dernier participe à l'élongation de la membrane d’isolement (Kim et al., 2002) (Figure 15-étape 1).

II.2.2 Le complexe Vps34-Beclin 1

L'implication de la PI3-kinase dans l'autophagie a été initialement établie suite à l'observation de l’inhibition de la formation des autophagosomes par des inhibiteurs pharmacologiques de la PI3-K y compris la 3-méthyladénine, la wortmannine et le LY-294002 (Blommaart et al., 1997). La Vps34 phosphoryle le phosphatidylinositol (PI) afin de produire la phosphatidylinositol 3-phosphate (PI3P), un lipide qui favorise la formation d’un complexe protéique, la fermeture de la membrane et la séquestration des composants cytoplasmiques dans les vacuoles autophagiques (Mizushima et al., 2001; Petiot et al., 2000). Par conséquent, le complexe PI3-K non seulement contrôle la nucléation des vésicules autophagiques, mais favorise également les étapes de conjugaison. En effet, Beclin-1 (ATG6) au sein de ce complexe interagit avec plusieurs partenaires, y compris Bcl-2, UVRAG, Ambra et Bif-1. Ces interactions moléculaires sont essentielles à la régulation de l'autophagie au niveau de la nucléation de la membrane isolée (Fimia et al., 2007; Pattingre et al., 2005;Takahashi et al., 2007) (Figure 15-étape 2).

II.2.3 Les systèmes de conjugaison ATG12/LC3 (ATG8)

Le premier système de conjugaison implique la liaison d’une molécule lipidique à la partie COOH terminale de la protéine LC3, appelée également ATG8. Dans cette étape de conjugaison, ATG7 et ATG3 agissent, respectivement, comme des homologues des enzymes E1 et E2. En effet, pour que cette conjugaison ait lieu, la protéine LC3 doit être clivée par la cystéine protéase ATG4 (Ichimura et al., 2000). Ensuite, la protéine LC3 clivée (LC3-I) est activée par ATG7 et transférée à ATG3. Ainsi, ATG3 conjugue LC3 à la phosphatidyléthanolamine (PE) afin de former la LC3-II. Cette dernière représente une forme lipidique associée aux membranes ou aux vésicules autophagiques, ce qui en fait un marqueur des autophagosomes (Kirisako et al., 1999) (Figure 15-étape 3).

Le deuxième système de conjugaison implique la liaison de la partie COOH terminale de ATG12 à ATG5 via le résidu lysine (Mizushima, 2007). Au cours de cette conjugaison, ATG7 et ATG10

agissent, respectivement, comme des homologues des enzymes E1 et E2. Ensuite, ATG7 hydrolyse la molécule d’ATP afin d’activer ATG12. Ainsi, ATG12 activée est transférée à ATG5 via ATG10. Enfin, le complexe ATG5-ATG12 s’associe à ATG16, qui s’oligomérisent pour former de larges unités qui sont requises pour la fixation de LC3 à la membrane et l'élongation de la membrane séquestrante (Kuma et al., 2002) (Figure 15-étape 3).

II.2.4 Le complexe ATG9-ATG18

Bien que les fonctions exactes de la protéine ATG9 chez les mammifères restent méconnues, quelques hypothèses ont été émises. En effet, comme la protéine ATG9 est associée à des bicouches lipidiques, elle peut être partiellement responsable de la formation de la membrane des autophagosomes d’une manière ATG18-dépendante (Figure 15-étape 4) (Reggiori et al., 2005). L’étude de Simonsen a démontré que ATG9 peut jouer un rôle dans l'architecture des autophagosomes, probablement en régulant l'allongement du phagophore (Simonsen and Stenmark, 2008).

II.2.5 La fusion autophagosome-lysosome

Une fois que l’autophagosome est fusionné au niveau de chaque côté, il se rapproche d’un lysosome voisin et forme un autolysosome (Darsow et al., 1997) (Figure 15-étape 5). Cette fusion implique Rab GTPases, les protéines membranaires lysosomales LAMP1 et LAMP2 (Saftig et al., 2008), L’ATPase AAAtype SKD1 (Nara et al., 2002), le réseau microtubulaire (Kochl et al., 2006), le pH de la vacuole lysosomale critique pour l’activation des hydrolases acidiques (Kawai et al., 2007).

La membrane interne des autophagosomes et les composants du cytoplasme séquestrés sont ensuite dégradés par les hydrolases lysosomales (Figure 15-étape 6). Une fois les macromolécules sont dégradées à l'intérieur du lysosome, les unités monomériques sont exportées vers le cytosol pour le recyclage (Klionsky and Emr, 2000).