Les principaux types de mort cellulaire

1.1 L’apoptose.

L’apoptose, également appelée « mort cellulaire programmée de type I », est le processus physiologique par lequel l’organisme élimine les cellules non désirées, endommagées ou infectées. Elle joue un rôle crucial dans le développement des organismes pluricellulaires et le maintien de l’homéostasie cellulaire (Kerr et coll., 1972 ; Rudel et coll., 2010). Le nom apoptose fait référence à la chute des feuilles à l’automne : apo pour « éloignement » et ptôsis

pour « chute ». Ce processus de mort cellulaire est activé par de nombreux stimuli physiologiques ou pathologiques, comprenant par exemple : l’activation des récepteurs de mort, une carence en facteurs trophiques, une infection virale, un stress oxydatif ou encore des agents génotoxiques (Rudel et coll., 2010 ; Kang et coll., 2012). En fonction des signaux pro-apoptotiques, deux voies sont susceptibles d’engendrer cette mort cellulaire : la voie des récepteurs de mort ou la voie mitochondriale (Figure 15). Malgré que ces voies de signalisation soient différentes, elles aboutissent toutes deux à l’activation des protéines à cystéine appelées caspases (Rudel et coll., 2010 ; Kang et coll., 2012). Celles-ci vont ensuite activer l’endonucléase CAD (caspase activated DNAse), une enzyme capable de cliver l’ADN entre les nucléosomes, engendrant des fragments d’environ 200 paires de base (pB) ou multiples de cette longueur (Saraste et Pulkki, 2000). La protéine PARP-1 (poly (ADP-ribose) polymerase 1) est une enzyme nucléaire de 113kD impliquée dans la réparation de l’ADN. Au cours du processus d’apoptose, PARP est clivée par les caspases effectrices 3 et 7 en fragments de 89kD et 24kD (D’Amours et coll., 2001). L’externalisation de la

Figure 16 : Changements morphologiques apparaissant au cours du processus d’apoptose. Tout d’abord, la cellule rétrécit, la chromatine se condense et la membrane plasmique bourgeonne. Il y a ensuite formation de corps apoptotiques qui vont être phagocytés (modifié d’après Gewies, 2003).

membrane plasmique, est également observée lors de ce processus de mort cellulaire (Fadok et coll., 2001).

Lorsqu’une cellule entre en apoptose, les premières manifestations morphologiques observables sont la condensation de la chromatine et du cytoplasme ainsi que la déformation de la membrane plasmique aboutissant à la fragmentation de la cellule et de son ADN (Figure 16) (Saraste et Pulkki, 2000 ; Rodriguez-Rocha et coll., 2011). S’ensuit la formation de vésicules membranaires contenant le cytoplasme, les organites et la chromatine condensée, appelées corps apoptotiques. Ces derniers sont rapidement phagocytés par les macrophages ou les cellules voisines, sans aucune réaction inflammatoire (Saraste et Pulkki, 2000 ; Rudel et coll., 2010 ; Rodriguez-Rocha et coll., 2011).

1.2 L’autophagie.

L’autophagie (d’autos pour « soi-même » et de fagos pour « manger ») permet l’équilibre entre la synthèse et la dégradation des constituants cellulaires (Codogno, 2004 ; Kreuzaler et Watson, 2012). Elle peut également représenter un mécanisme de défense et de survie lorsque la cellule est en condition de stress (carence en facteurs de croissance, hypoxie,…) ou est exposée à des agents toxiques, notamment par le recyclage des acides aminés et l’élimination des macromolécules et des structures cellulaires altérées (Codogno, 2004 ; Kondo et coll., 2005 ; Kreuzaler et Watson, 2012).

Suite à l’induction de l’autophagie, de nombreuses protéines Atg (autophagy-related gene) incluant bécline-1 et LC3 (microtubule-associated protein 1 light chain 3) sont recrutées (Kreuzaler et Watson, 2012). Ces protéines participent à la formation des vésicules cytosoliques à double membranes, appelées autophagosomes, dans lesquelles peuvent être séquestrés des organites cellulaires (mitochondries, réticulum endoplasmique…), des protéines agrégées et des agents pathogènes (Kondo et coll., 2005 ; Rodriguez-Rocha et coll., 2011). Ces vésicules vont fusionner avec des lysosomes pour former des autolysosomes. Les hydrolases lysosomales vont dégrader le matériel séquestré afin de générer des acides aminés qui pourront être recyclés, fournissant ainsi l’énergie nécessaire à la survie de la cellule. Les enzymes lysosomales, actives à pH acide, peuvent également éliminer les protéines et les organelles endommagées pouvant être toxiques pour la cellule (Figure 17) (Rodriguez-Rocha et coll., 2011 ; Jing et Lim, 2012). La voie de signalisation de PI3K/Akt, par l’intermédiaire

Figure 17 : L’autophagie peut être induite par divers stimuli, incluant des dommages à l’ADN. L’autophagie implique la séquestration de protéines cytosoliques et d’organelles dans une structure à double membranes appelée autophagosome, qui va ensuite être dégradé par les hydrolases lysosomales. Dans certaines conditions, l’autophagie peut induire la mort des cellules qui sont endommagées (d’après Rodriguez-Rocha et coll., 2011).

de mTOR (mammalian target of rapamycin), régule l’induction de l’autophagie (Kreuzaler et Watson, 2012).

Si le processus autophagique perdure dans le temps, il peut conduire à la mort des cellules, dénommée « mort cellulaire programmée de type II » (Galluzzi et coll., 2011 et 2012 ; Kreuzaler et Watson, 2012). La mort cellulaire par autophagie peut aussi être enclenchée en réponse à des agents chimiothérapeutiques lorsque la voie apoptotique est inhibée (Galluzzi et coll., 2012 ; Kreuzaler et Watson, 2012). L’induction prolongée d’autophagie, dans les cellules de glioblastome traitées avec le témozolomide, conduit à la mort de ces cellules par apoptose tardive (Kanzawa et coll., 2004 ; Roos et coll., 2007 ; Palumbo et coll., 2012). Sur le plan morphologique, cette mort cellulaire est caractérisée par la présence de nombreuses vacuoles autophagiques et l’absence de condensation de la chromatine (Rodriguez-Rocha et coll., 2011 ; Galluzzi et coll., 2012).

1.3 La nécrose.

Le terme nécrose (de nekros pour « cadavre ») a longtemps été utilisé par défaut pour définir une mort cellulaire, survenant de façon accidentelle, qui ne présente pas les caractéristiques morphologiques de l’apoptose et de l’autophagie (Edinger et Thompson, 2004 ; Galluzzi et coll., 2011). Récemment, la nécrose a été classée dans les morts cellulaires programmées. Lorsque la voie de signalisation de l’apoptose est inhibée, cette mort cellulaire peut être enclenchée (Galluzzi et coll., 2012). Les processus biochimiques menant à l’exécution de la nécrose programmée décrits dans la littérature sont nombreux et comprennent, entre autres :

(a) l’activation des protéines kinases RIPK1 (receptor-interacting protein kinase 1) et RIPK3 (receptor-interacting protein kinase 3), notamment lorsque la nécrose est initiée par la liaison du facteur TNF (tumor necrosis factor) à son récepteur (Rudel et coll., 2010 ; Galluzzi et coll., 2011 ; Han et coll., 2011) ;

(b) la production excessive de ROS par les mitochondries (Rudel et coll., 2010 ; Galluzzi et coll., 2011) ;

(c) l’hyper-activation de PARP-1 suite à des lésions au niveau de l’ADN, diminuant les stocks de NAD⁺ dans le cytosol, et par conséquent la production d’ATP dans les cellules

Figure 18 : Changements morphologiques apparaissant au cours du processus de nécrose. Tout d’abord, la cellule gonfle et devient perméable On peut ensuite voir le bourgeonnement et la dislocation de la membrane plasmique qui entraine la libération du contenu cellulaire dans le milieu environnant, induisant de l’inflammation (modifié d’après Gewies, 2003).

Figure 19 : La sénescence est contrôlée par les voies p53 et p16/pRB. La plupart des stimuli induisant la sénescence tels que les lésions de l’ADN ou les facteurs de stress déclenchent une de ces deux voies de signalisation. Certains signaux, comme les oncogènes RAS, active les deux voies. La protéine p53 est régulée négativement par la protéine HDM2 (human double minute 2), elle-même inhibée par ARF (alternate-reading-frame protein). La protéine p53 active établit l’arrêt de la croissance, notamment en induisant l’expression de p21, un inhibteur de CDK (cyclin-dependent kinase), qui peut supprimer la phosphorylation et donc l’inactivation de la protéine pRB. Les signaux qui activent la voie de p16/pRB le font généralement en induisant l’expression de p16, un autre inhibiteur de CDK, qui empêche de nouveau la phosphorylation et l’inactivation de pRB. La protéine pRB arrête la prolifération cellulaire en supprimant l’activité d’E2F, un facteur de transcription qui stimule l’expression de gènes requis pour la progression du cycle cellulaire (d’après Campisi et d’Adda di Fagagna, 2007).

glycolytiques (Rudel et coll., 2010 ; Galluzzi et coll., 2011 ; Speirs et coll., 2011).

Les premiers changements morphologiques observés au cours de la nécrose programmée s’apparentent à ceux de la nécrose : vacuolisation du cytoplasme, dilation des organelles, augmentation du volume cellulaire et déformation de la membrane cellulaire. Ces évènements entraineront la perte de l’intégrité membranaire qui sera caractérisée par la libération du contenu cellulaire dans le milieu environnant. La réaction inflammatoire locale qui en résulte permet la dégradation et l’élimination des cellules nécrosées (Figure 18) (Edinger et Thompson, 2004 ; Rodriguez-Rocha et coll., 2011).

1.4 La sénescence.

La sénescence (de senescere pour « vieillir ») est un état d’arrêt irréversible de la croissance cellulaire qui peut conduire in fine à la mort des cellules (Unterluggauer et coll., 2003 ; Eom et coll., 2005 ; Diener et coll., 2010 ; Acosta et Gil, 2012). L’expression de l’oncogène Ras, les radiations, les agents altérant l’ADN, le stress oxydatif ainsi que certains médicaments chimiothérapeutiques peuvent induire de la sénescence (Acosta et Gil, 2012). En fonction des stimuli qui la déclenchent, elle peut être réplicative ou accélérée. La sénescence réplicative est définie comme un processus physiologique induit par le raccourcissement des télomères suite à une accumulation de divisions cellulaires (Hayflick, 1965). Dans les cellules cancéreuses, la surexpression de l’enzyme télomèrase permet de maintenir la longueur des télomères (Kim et coll., 1994). Le terme de sénescence accélérée a été attribué aux cellules en arrêt de la croissance cellulaire, ayant subi un stress oxydatif, des lésions de leur ADN ou après un traitement par des agents chimiothérapeutiques tels que la doxorubicine, la camptothécine, la vincristine, le cisplatine ou le paclitaxel (Chang et coll., 1999 ; Serrano et Blasco, 2001 ; Shay et Roninson, 2004 ; Collado et Serrano, 2006 ; Varna et Artenie, 2007). La sénescence accélérée est indiscernable de la sénescence réplicative car des lésions de l’ADN peuvent également induire un raccourcissement des télomères suite à des divisions trop rapides (Roninson et Dokmanovic, 2003). Les voies de signalisation de p53 et de p16/pRB contrôlent la sénescence (Figure 19) (Campisi et d’Adda di Fagagna, 2007).

Les cellules sénescentes sont caractérisées morphologiquement par l’aplatissement du cytoplasme, l’apparition de nombreuses vacuoles cytoplasmiques et l’augmentation de la masse lysosomique (Schmitt, 2007). D’un point de vue biochimique et moléculaire, on peut

Figure 20 : Voies de signalisation impliquées dans l’autophagie et la paraptose. L’autophagie serait déclenchée par Ras, ce qui conduirait directement ou indirectement à la formation du lysophagosome et des vacuoles autophagiques. Par contre, la paraptose, caractérisée par de larges vacuoles cytoplasmiques, serait liée à l’activation d’IGFR1 (insulin-like growth factor 1 receptor), de NK1R (neurokinin 1 receptor) ou d’EGFR. La participation d’Alix et de la voie de signalisation MAPK seraient également impliquées dans cette mort cellulaire programmée, cependant ces dernières seraient spécifiques à certains types cellulaires (d’après Krantic et coll., 2007)

observer la surexpression des protéines p53, p21 et p16 qui exercent un effet inhibiteur sur le cycle cellulaire ainsi que l’augmentation de l’activité de la SA-β-Gal (senescence-associated beta-galactosidase) qui reflète l’augmentation de la biogenèse des lysosomes observée dans les cellules sénescentes (Campisi et d’Adda di Fagagna, 2007 ; Schmitt, 2007). La bêta-galactosidase est une hydrolase localisée dans les lysosomes qui permet le clivage des résidus beta-galactosides en beta-D-galactose. Les cellules sénescentes, à pH acide, vont donner une coloration bleue après incubation avec le substrat X-Gal (Dimri et coll., 1995).