Les organelles impliquées dans la mort cellulaire programmée

Les connexions entre les différentes voies de signalisation de la mort cellulaire programmée se traduisent également par une communication s'établissant entre les différentes organelles pour propager efficacement le signal de mort93. De nombreux stimuli

provoquent des changements de perméabilité de la membrane mitochondriale. Or, les données s'accumulent à l'effet que d'autres organelles comme le réticulum endoplasmique, les lysosomes et l'appareil de Golgi seraient en mesure de détecter des stimuli spécifiques et d'activer localement des voies de signalisation de mort cellulaire par l'intermédiaire de protéases ou par la libération de facteurs cytotoxiques. Certains de ces signaux sont transmis d'une organelle à une autre, tandis que d'autres peuvent induire directement la

mort cellulaire 93' 95' 139. Chacune des organelles posséderait donc une machinerie capable

de sentir des dommages locaux et d'activer les processus de mort cellulaire.

La mitochondrie

La mitochondrie est le siège de la respiration oxydative, une fonction cruciale qui produit la majeure partie de l'ATP nécessaire à la cellule. Cette organelle est également un point de convergence important pour de nombreux signaux de mort cellulaire. La perméabilisation de la membrane externe de la mitochondrie, régulée par les membres de la famille Bcl-2 (voir section 1.1.1.3), mène à la libération de facteurs cytotoxiques causant la mort cellulaire par des processus dépendants ou indépendants des caspases.

Il a déjà été question de la libération des facteurs proapoptotiques cytochrome c et Smac/Diablo qui mènent à l'activation des caspases (voir section 1.1.1.1). Le potentiel de la serine protéase Omi/HtrA2 pour activer des processus de mort cellulaire dépendants et indépendants des caspases a également été discuté (voir section 1.1.2.2). Il existe d'autres facteurs, tel l'AIF (apoptosis inducing factor) et l'endonucléase G (endoG), qui peuvent être libérés de la mitochondrie et transloquer au noyau pour participer à la condensation de l'ADN d'une façon indépendante des caspases. Il semble que l'endoG peut générer des fragments internucléasomaux in vitro 68'140, tandis que l'AIF entraîne une condensation de

la chromatine en périphérie du noyau et génère de larges fragments d'ADN de 50kb 69. Le

rôle de l'endoG dans la fragmentation de l'ADN lors de la mort cellulaire chez les mammifères reste à démontrer. Par contre, un rôle dans la mort cellulaire a été attribué à l'AIF lors de l'étape de cavitation des embryons de souris '41. La mort cellulaire

dépendante de l'AIF a été observée dans des cellules déficientes pour Apaf-1 et pour la caspase-3 142. De plus, la translocation de Bax à la mitochondrie stimulée par la cathepsine

D mènerait à la libération de l'AIF et non du cytochrome c, suggérant une certaine sélectivité dans la perméabilité de la membrane mitochondriale 143. Cependant, les

mécanismes moléculaires à l'origine de cette perméabilité sélective demeurent obscurs. La perméabilisation de la membrane externe de la mitochondrie interfère avec des fonctions nécessaires à la survie cellulaire. En effet, la perméabilité de la membrane externe perturbe la différence de potentiel au niveau de la membrane interne de la mitochondrie,

normalement maintenue pour fournir l'énergie protomotrice nécessaire à la production d'ATP. Certains auteurs affirment que la perte du potentiel mitochondrial peut également servir d'élément initiateur de la mort cellulaire lorsqu'elle est causée par l'ouverture de pores de la membrane interne de la mitochondrie. Cette ouverture déclenchée par une augmentation du calcium, du pH ou des ROS, laisserait passer l'eau et certaines petites molécules, menant au gonflement de l'espace intermitochondriale, à la rupture de la membrane externe et au déversement de facteurs cytotoxiques dans le cytosol (pour synthèse, voir 42). Aussi, une perte complète du potentiel de la membrane interne par un

stimulus trop intense peut mener à la réduction de l'ATP cellulaire et à l'induction de la mort par nécrose (pour synthèse, voir75).

Le réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique (RE) régule la synthèse, le repliement et le trafic des protéines, ainsi que la signalisation dépendante du calcium. Un stress soutenu dans le RE causé par un défaut dans l'homéostasie du calcium intracellulaire ou par l'accumulation de protéines mal repliées dans le RE peut mener à la mort cellulaire (pour synthèse, voir 144).

L'association de certains membres de la famille Bcl-2 (Bcl-2, BC1-XL, Bax, Bak, Bik et Bim) avec les membranes du RE a été rapporté. L'effet antagoniste des molécules Bik ou Bim sur Bcl-2 et BC1-XL au RE permettrait un influx de calcium dans le cytoplasme à partir du RE suite à l'oligomérisation de Bax et Bak 145'146. L'activation des caspases en aval du

stress au niveau du RE a également été rapportée. Suite à la sortie de calcium du RE, un processus de mort cellulaire peut être initié par l'activation de la caspase-12, qui mènera à l'activation en cascade de la caspase-9 et la caspase-3 par un mécanisme indépendant du cytochrome c chez la souris 147. Chez l'humain la caspase-4 localisée de façon

prédominante au RE serait activée spécifiquement lors de l'apoptose induite par le stress au RE par un mécanisme qui demeure inconnu, mais qui serait résistant à la surexpression de Bcl-2 106.

La sortie du calcium du RE suite à l'oligomérisation de Bax et Bak peut également provoquer un influx de calcium à la mitochondrie qui favoriserait une ouverture des pores de sa membrane interne, la sortie du cytochrome c et la mort cellulaire 148'149. Le clivage de

calcium 150' . En condition de stress au RE, le clivage de Bap31 augmente la prise de

calcium par la mitochondrie et le recrutement de DRP-1 {dynamin-related protein 1) à la mitochondrie. DRP-1 favorise la fission de la membrane externe de la mitochondrie, par des mécanismes qui seront discutés plus tard, associée avec une stimulation de la libération du cytochrome c et de la mort cellulaire.

L'augmentation de calcium intracellulaire en réponse au stress au RE peut aussi activer les calpaïnes qui, comme mentionné auparavant, sont impliquées dans des processus de mort cellulaire dépendants et indépendants des caspases via une transmission du signal vers la mitochondrie ou les lysosomes (voir section 1.1.2.2). Une augmentation démesurée des niveaux de calcium intracellulaire peut déclencher la nécrose programmée en favorisant la déplétion en ATP via l'augmentation de la production des ROS au niveau de la mitochondrie (pour synthèse, voir 75). Ceci suggère, que le stress au niveau du RE pourrait

également jouer un rôle dans certains processus de mort cellulaire indépendant des caspases.

Les lysosomes

Les lysosomes sont des organelles constituées d'un milieu acide (pH 4.5) qui est délimité par une membrane simple. Elles se spécialisent dans la digestion de matériel extra et intracellulaire. Elles contiennent une cinquantaine d'enzymes pour la dégradation de protéines, d'acides nucléiques, de polysaccharides et de lipides dont les substrats sont acheminés aux lysosomes à partir de vésicules endocytiques ou autophagiques (pour synthèse, voir 152). Tandis qu'on considérait jadis les lysosomes comme de simples

« éboueurs » pour la cellule, on leur attribue maintenant un rôle important dans différents processus biologiques, dont la mort cellulaire programmée.

Tel que décrit à la section 1.1.2.2, des observations récentes démontrent un rôle pour les lysosomes et plus précisément pour certaines cathepsines lysosomiales dans la régulation ou l'exécution de différents modes de mort cellulaire 109. Dans plusieurs cas d'apoptose,

une rupture partielle de la membrane lysosomiale est considérée comme un événement précoce qui survient avant la perméabilité de la mitochondrie ou l'activation des caspases

us, 143,153,154 ^ l'opposé, une rupture massive de la membrane lysosomiale, entre autres par des agents lysosomotrophiques, entraîne la mort par nécrose l55.

Les mécanismes moléculaires qui relient les lysosomes ou les cathepsines avec la machinerie de mort cellulaire restent à préciser. Cependant, certains mécanismes ont été proposés pour expliquer la rupture partielle de la membrane lysosomiale en réponse à certains stimuli cytotoxiques. Premièrement, les sphingosines intracellulaires, générées par la modification des céramides, pourraient augmenter la perméabilité des lysosomes à la manière d'un détergent pour faciliter la libération des protéases lysosomiales lors de l'apoptose 156. En accord avec cette hypothèse, la production de la sphingosines est

stimulée par différents stimuli de mort cellulaire, comme le TNFa, qui induisent des perturbations lysosomiales 156158. Un second mécanisme implique la production de ROS (réactive oxygen species). De nombreux stimuli qui induisent la rupture des lysosomes stimuleraient également la production de H2O2 durant les processus de mort cellulaire 159.

Notamment, la libération de protéases lysosomiales comme la cathepsine B, peut stimuler la sortie du cytochrome c et la formation de ROS au niveau de la mitochondrie, créant ainsi une boucle d'amplification où l'augmentation de ROS stimulerait davantage la rupture lysosomiale 16°. Finalement, par analogie avec leur rôle au niveau de la membrane

mitochondriale, les membres pro-apoptotiques de la famille Bcl-2 pourraient transloquer au niveau de la membrane lysosomiale pour favoriser la formation de pores. À cet effet, une étude indique qu'un traitement à la staurosporine favoriserait la translocation de Bax au niveau de la membrane lysosomiale et permettrait la libération d'enzymes dans le cytosol

161. Aussi, Bcl-2 aurait un effet antagoniste sur l'apoptose induite par le stress oxydant en

bloquant la rupture lysosomiale 162.

En plus de mener à la libération des cathepsines, la rupture partielle de la membrane lysosomiale entraîne une acidification du cytosol qui pourrait activer certains phénomènes susceptibles de participer à la mort cellulaire. Par exemple, il a été proposé récemment que l'acidification du cytosol par l'inhibition des transporteurs Na+/H+ puisse convertir le

précurseur LEI (Leukocyte elastase inhibitor) en DNAse-H mature. Cette DNase participerait ensuite aux modifications nucléaires de l'apoptose comme la fragmentation de l'ADN 163.

L'appareil de Golgi

L'appareil de Golgi est un lieu de transit essentiel pour les protéines et les lipides qui voyagent du RE vers la membrane plasmique ou les lysosomes. Durant l'apoptose, les voies de sécrétions sont bloquées et l'appareil de Golgi est fragmenté et dispersé (pour synthèse, voir 16 ). D'ailleurs, plusieurs protéines impliquées dans le maintien de la

structure du Golgi, comme la golgine-160 ' 5, et dans le trafic membranaire, comme la

pi 15 166, sont clivées par les caspases durant l'apoptose. Les événements survenant au

niveau de l'appareil de Golgi ont longtemps été considérés comme des événements tardifs et conséquents à l'activité des caspases. Or, des travaux récents suggèrent un rôle actif pour certaines protéines clivées au niveau du Golgi dans la propagation du signal de mort cellulaire (pour synthèse, voir 164).

L'expression d'une forme non clivable de la golgine-160 inhibe la fragmentation du Golgi et ralentit la mort cellulaire induite par certains agents qui perturbent les voies de sécrétion comme la thapsigargine 16?. Puisque le thapsigargine vide la réserve de calcium du RE, un

lien fonctionnel important existerait entre le métabolisme du calcium, le RE et l'intégrité du Golgi. In vitro, la golgine-160 est clivée par les caspases-2, 3 et 7. Or, des résultats indiquent que la caspase-2 est localisée au noyau et au Golgi, et que la golgine-160 est clivée par la caspase-2 durant l'apoptose 165. L'appareil de Golgi servirait donc de senseur

pour certains stress locaux au même titre que la mitochondrie et le RE. En conditions de stress affectant son intégrité, le Golgi déclencherait un signal de mort, entre autres par l'activation locale de la caspase-2. Les substrats clivés au niveau du Golgi pourraient ensuite être libérés et servir de messager pour transmettre le signal de mort 139' 164' 165. À

l'appui de cette hypothèse, l'expression de la forme clivée de pi 15 induit la fragmentation du Golgi et l'apoptose, même en présence d'inhibiteurs de caspases 166. De plus, des

fragments exogènes de la golgine-160 et de pi 15 qui miment leur forme clivée sont localisés au noyau 166'168. Or, tout récemment, il a été démontré que la forme clivée de la

golgine-160 favorise l'apoptose lorsqu'elle est retenue au Golgi par association avec un fragment de la GC60, tandis que le même fragment de la golgine-160 favorise la survie lorsqu'il est localisé au noyau ' .

p115

(Mort cellulaire alternative) ( Apoptose )

Figure 1-2. Communication entre les voies de signalisation de la mort cellulaire programmée.

Plusieurs voies de signalisation sont activées par un même stimulus et communiquent entre elles. Des perturbations au sein de diverses organelles peuvent mener à l'activation de programmes de mort cellulaire qui convergent vers la mitochondrie. Ces programmes de mort impliquent l'activation de protéases comme les calpaïnes ou les cathepsines, et la libération de protéines qui possèdent une activité cytotoxique dépendante ou indépendante des caspases.

La diversité des processus de mort cellulaire présentés ici illustre la complexité des mécanismes d'activation de la mort cellulaire et la présence de nombreuses connexions qui unissent les différentes voies de signalisation de la mort cellulaire (Figure 1-2). D'ailleurs, la plupart des voies de signalisation alternatives décrites convergent vers des dysfonctions mitochondriales et sont sous le contrôle des membres de la famille Bcl-2. Cependant, les fonctions cellulaires qui assurent la communication et la transmission des signaux, surtout au niveau des voies de transport et de sécrétion, restent à élucider ' . Dans une cellule normale, des connexions s'établissent entre les différentes organelles grâce au transport vésiculaire. Récemment, un mélange dans le contenu membranaire du Golgi et de la mitochondrie attribué à une altération du trafic membranaire normal entre les organelles a été rapporté comme un événement précoce au cours de la mort cellulaire induite par FAS

170. Plusieurs liens fonctionnels ont été établis entre le transport vésiculaire et la régulation

de la dynamique de l'actine, entre autres lors de la formation, le mouvement et l'ancrage des vésicules membranaires, de même que dans l'intégrité des organelles. Notamment, il semble que la translocation de régulateurs de la dynamique des mitochondries également impliqués dans les processus apoptotiques, tel que DRP-1, soit régulée par le cytosquelette d'actine . Ceci suggère que la contribution du remodelage de l'actine pourrait dépasser ses effets associés aux changements morphologiques et que le rôle de la dynamique de l'actine dans la signalisation de la mort cellulaire devrait être revisité.

1.1.4 Rôle potentiel de la dynamique de l'actine dans l'initiation de la mort cellulaire

Des données génétiques récentes obtenues chez la levure S. cerevisiae, supportent un rôle pour la dynamique de l'actine dans la régulation de la mort cellulaire172' 173. Malgré la

controverse, la levure est un modèle de plus en plus utilisé pour étudier des mécanismes de mort cellulaire primitifs qui partagent certains niveaux de régulation et autres caractéristiques avec la mort cellulaire programmée chez les métazoaires174. La stabilisation

des microfilaments d'actine chez S. cerevisiae est associée avec l'induction de la mort cellulaire causée par des dysfonctions mitochondriales173. Ces dysfonctions

mitochondriales impliqueraient une augmentation de la production de l'AMP cyclique et de la production et la libération de ROS suite à l'hyperactivation de la signalisation de Ras à partir d'un complexe protéique formé et stabilisé dans les agrégats d'actine 172.

Des changements dans la réponse à certains stimuli apoptotiques ont été observés chez des cellules humaines traitées avec des agents qui perturbent la dynamique de l'actine175"177.

D'après ces études, une augmentation de la polymérisation d'actine causée par la jasplakinolide stimulerait l'apoptose directement, tandis qu'une augmentation de la disponibilité de l'actine monomérique par des traitements avec la cytochalasine D augmenterait la résistance des cellules à certains stimuli apoptotiques.

Finalement, la participation de certains effecteurs des Rho GTPases dans des voies de signalisation alternatives de la mort cellulaire a été suggérée. L'expression d'une forme active de la ROCK II induirait l'apoptose non classique par un mécanisme dépendant de

l'actine 178. De plus, le fragment de la PAK2 clivé par la caspase-3 serait modifié par

l'ajout d'un groupement myristate favorisant son ancrage aux membranes cellulaires. La PAK2 ainsi modifiée induirait la mort cellulaire à partir des membranes intracellulaires, sans modifier l'intégrité de la mitochondrie, par une activation soutenue de la voie MAP kinase JNK 179. Les travaux présentés dans cette thèse suggèrent que la petite protéine

virale E4orf4 utiliserait un mécanisme similaire pour induire la mort cellulaire programmée dans les cellules transformées. Afin de mieux estimer le rôle potentiel de la dynamique de l'actine dans la mort cellulaire programmée, sa régulation et son importance pour le trafic membranaire et l'intégrité des organelles seront décrites.