Le rôle de l'autophagie dans la cellule

2.1.1 Principe de l'autophagie

L'autophagie est indispensable à l'homéostasie de la cellule, elle permet le recyclage d'organelles et de protéines défectueuses ainsi que l'élimination d'agents infectieux au travers d'un cycle de dégradation. Ce mécanisme intervient dans tous les orga- nismes eucaryotes de la levure au mammifère [22]. Il existe diérents types d'au- tophagie, les plus importants étant la "chaperon mediated autophagy" (CMA), la microautophagie et la macroautophagie [23, 24]. Leur principe est commun mais leur fonctionnement diérent, nous allons donc les décrire succinctement.

La CMA dégrade uniquement des protéines solubles ayant perdu leur conforma- tion tridimensionnelle, par leur translocation directe à l'intérieur du lysosome. Le lysosome est l'organelle permettant la digestion intracellulaire, il a été découvert par De Duve dans les années 50. Il contient des enzymes permettant l'hydrolyse des molécules en milieu acide (pH 5) [25]. Deux protéines interviennent dans la sélection et le transfert à travers la membrane du lysosome de la protéine à dégra- der. La première est la protéine hsc70, soluble, qui cible les protéines défectueuses dans le cytosol, la deuxième LAMP-2A (lysosomal-associated membrane protein) est trans-membranaire et ouvre un passage dans la membrane du lysosome (Fig.

2.1).

La microautophagie et la macroautophagie permettent la dégradation de façon ciblée ou non ciblée de structures plus larges. La microautophagie est la séques- tration directe de molécules contenues dans le cytosol par le lysosome via une endocytose, comme décrite dans la partie 1.1 (Fig. 2.1). Les mécanismes molécu- laires sous-jacents permettant la sélection et le transport des molécules à dégrader vers le lysosome sont encore très peu connus dans les organismes eucaryotes [1]. Lors de la macroautophagie, les molécules à dégrader sont d'abord séquestrées dans une organelle appelée autophagosome dont la paroi est constituée d'une double membrane. Puis l'autophagosome (sa formation sera développée dans la partie2.2.1) fusionne avec le lysosome par sa membrane externe pour former l'au- tolysosome. Le contenu de l'autophagosome est alors recyclé par hydrolyse (Fig.

2.1). Les macromolécules issues de la dégradation, comme des acides aminés dans le cas de protéines dégradées, sont relâchées dans le cytosol grâce aux protéines perméases et peuvent être réutilisées dans d'autres processus.

Notre projet porte sur la macroautophagie, dans le but de simplier les dénomi- nations, nous la désignerons par le terme d'autophagie.

2.1.2 Fonctions et dysfonctions de l'autophagie

L'autophagie est nécessaire à l'équilibre de la cellule et tout dysfonctionnement peut être létal. En eet, dans les organismes où l'autophagie est bloquée, la mort cellulaire est accélérée, les raisons peuvent être multiples comme l'accumulation de molécules défectueuses dans le cytosol [26,27]. De même, une surexpression de

Figure 2.1: Schéma de la chaperon mediated autophagy, de la mi- croautophagie et de la macroautophagie. Extrait de Mizushima 2008.

l'autophagie entraîne la mort de l'organisme, probablement à cause d'une dégra- dation massive et non spécique du matériel cellulaire [23]. Dans cette partie, nous développerons d'abord les rôles d'une autophagie fonctionnelle dans l'organisme puis les conséquences d'un dysfonctionnement. Il est important de noter que l'au- tophagie intervient dans des mécanismes biologiques très diérents et que ses rôles ne sont pas toujours dénis de façon exacte, ce qui peut expliquer que certaines fonctions semblent paradoxales.

Le recyclage du matériel cellulaire permet de nettoyer la cellule mais il est aussi impliqué dans des processus plus complexes. Lorsqu'un organisme est en manque de nutriments et les cellules en manque d'énergie, une autophagie non ciblée et massive recycle du matériel cellulaire an de produire de l'énergie. Par exemple, des plantes ou des levures pour lesquelles l'autophagie a été bloquée survivent beaucoup moins longtemps à une déplétion de nutriments que les plantes et levures normales [22, 23, 28]. Le manque de nutriment est souvent utilisé comme facteur déclencheur de l'autophagie lors d'études eectuées sur les cellules.

L'autophagie peut être utilisée comme un système de survie mais paradoxalement, il est avéré qu'une forme d'apoptose par l'autophagie existe. La diérentiation des mécanismes de régulation de ces deux fonctions de l'autophagie et leurs interac- tions mutuelles restent obscures et sont toujours le sujet de recherches [23]. Il a

été observé que des protéines entrainant l'apoptose de la cellule, comme les pro- téines BH3, déclenchaient aussi l'autophagie [29]. Et inversement des protéines inhibitrices de l'apoptose, comme la famille de protéines Bcl-2, inhibaient aussi l'autophagie [3032]. La mort cellulaire par l'autophagie consiste en la destruction ciblée des structures vitales de la cellule via des mécanismes de sélections encore inconnus à ce jour [33].

L'autophagie joue aussi un rôle dans l'élimination d'agents infectieux tels que des bactéries et des parasites qui parviennent à pénétrer dans le milieu intracellulaire. La reconnaissance des pathogènes se fait via des mécanismes qui sont quasiment inconnus aujourd'hui. Des autophagosomes, largement plus grands que ceux ob- servés habituellement lors de l'autophagie non sélective, ont été remarqués autour de structures pathogènes ce qui indique une capacité de l'autophagie à s'adapter à des plus larges structures lorsque celles-ci représentent un danger pour la cellule. Dans certaines maladies caractérisées par l'accumulation de protéines dans le cyto- sol comme les maladies neurodégénératives (Huntington, Parkinson, Alzheimer), l'autophagie agit en ciblant et en détruisant les agrégats protéiques [23]. Dans certains cancers, l'autophagie a un rôle double, elle cible et détruit les organelles endommagées, ce qui limite l'apparition des tumeurs, et réduit les instabilités du génome. En eet, une augmentation d'ADN endommagé a été observée dans les organismes ayant subi une délétion des protéines de l'autophagie beclin 1 et Atg5, néanmoins les mécanismes précis liant l'autophagie à la stabilité du génome sont encore inconnus [23, 34].

Malgré le rôle bénéque joué par l'autophagie face aux maladies précédemment citées, ses actions sont en général limitées car les maladies elles-mêmes sont ac- compagnées d'un dysfonctionnement de l'autophagie [35]. Dans les maladies de Huntington et Parkinson, le dysfonctionnement provient d'une mauvaise séques- tration des agrégats protéiques qui s'accumulent dans la cellule [24]. Alors que dans la maladie d'Alzheimer, c'est la dégradation de l'autophagosome par le lysosome qui est perturbée [24]. Dans la maladie de Crohn's qui est une maladie inamma- toire du petit intestin et qui consiste en la mauvaise dégradation de bactéries, les patients sont plus susceptibles de présenter des mutations de trois gènes codants pour des protéines de l'autophagie [24, 36]. Ces mutations ont pour conséquences une mauvaise induction de l'autophagie [24].

Certains cancers, comme le cancer du sein, des ovaires ou de la prostate sont géné- tiquement liés à un dysfonctionnement de l'autophagie. Dans 40 à 75 % des cas, le

gène ATG, beclin 1, impliqué dans les premières étapes de la formation de l'auto- phagosome, est délété sur un allèle ce qui entraîne une diminution de l'autophagie. Un dernier exemple peut être donné par la bactérie Legionella qui manipule les systèmes de transport membranaire an de créer une vacuole dans la cellule lui permettant de se répliquer. Elle peut interférer directement avec l'autophagie en produisant une protéine RavZ qui clive les protéines de l'autophagie Atg8 pour les rendre inopérantes ce qui limite la formation des autophagosomes [37].