1. Hypoxie / ischémie néonatale
Les lésions périnatales peuvent considérablement impacter le quotidien des individus, avec notamment des paralysies cérébrales, des déficits cognitifs, un retard mental ou des épilepsies. Parmi toutes les lésions cérébrales, l’ischémie périnatale et la prématurité sont des causes importantes de handicap. Les ischémies cérébrales dans le cerveau en développement impliquent différents facteurs, tels que l’excitotoxicité, le stress oxydant, et l’inflammation. De nombreuses études suggèrent un rôle plus important de l’apoptose dans les ischémies néonatales en comparaison aux formes d’ischémies cérébrales chez l’adulte (Johnston M.V. et al., 2002).
En 2011 Carlsson Y. et al., ont montré qu’une ligature de l’artère carotide interne chez des souris KO CASP-2 de 9 jours, soumises à une hypoxie (10 % d’oxygène) pendant 50 min présentaient, 7 jours après la lésion, un volume d’infarction 32% plus petit que les souris non mutantes. Ces observations laissent à penser que l’inhibition génétique de CASP-2 est neuroprotectrice chez des souris nouveau-nés, soumis à une hypoxie/ischémie. Contrairement à l’étude de Bergeron L. et al., en 1998, qui n’avait pas permis d’identifier de différences dans les volumes d’infarction entre les animaux adultes KO CASP-2 et WT après une occlusion de l’artère cérébrale moyenne pendant 24h ou 2h, suivi d’une reperfusion pendant 18h. La différence entre ces études peut être expliquée par le fait que l’expression de la CASP-2 est élevée chez les souris nouveau-nés ainsi que dans les cerveaux de rat et décroit à partir de la deuxième semaine de vie.
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2. Caspase-2 et Excitotoxicité
Le cerveau en développement est particulièrement sensible à l’excitotoxicité, une composante clé dans la réponse à l’ischémie cérébrale. Lors du stress ischemique, la dépolarisation neuronale est importante et entraîne une libération massive d’acides aminés excitotoxiques et plus particulièrement de glutamate. Ce dernier entraîne alors une stimulation excessive des récepteurs au glutamate et notamment des NMDARs qui favorisent l’entrée de calcium dans la cellule, entraînant alors la neurotoxicité. Afin d’étudier le rôle de la CASP-2 dans l’excitotoxicité, Carlsson Y. et al ont injecté de l’ibotenate, en intracérébral, à des souris nouveau-nés (5 jours) WT et KO-CASP-2. L’ibotenate est un puissant agoniste glutamatergique qui se fixe essentiellement aux NMDARs et aux récepteurs métabotropiques du groupe I (mGluR1 et mGluR5) et II (mGluR2 et mGluR3). Ce traitement produit des lésions excitotoxiques, kystiques corticales et de la matière blanche chez les souris WT (Figures 37 B). En revanche les lésions corticales et de la matière blanche sont respectivement 41% et 59% plus petites chez les animaux constitutivement déficients pour CASP-2 (Figure 37 A). Par conséquent l’inhibition génétique de la CASP-2 dans ces modèles d’excitotoxicité confère une forte neuroprotection contre ce type de lésion.
Figure 37. L’inhibition génétique
de CASP-2 réduit les lésions suite à une ischémie dans le cerveau de souris nouveau-nés.
(A) Souris C56BL6, KO CASP-2 et WT de 9 jours soumises à une occlusion unilatérale de la carotide et exposées à 10 % O2 pendant 50 min. L’histogramme rapporte la quantification des volumes d’infarction suite à un marquage MAP2 sur des. coupes de cerveau des animaux KO CASP-2 et WT au niveau de l’hippocampe (B) La coloration au violet de crésyl révèle l’effet de l’iboténate sur des cerveaux murins WT (gauche) et Casp2-/- (droite).Le cerveau de l’animal WT injecté avec l’iboténate montre une perte neuronale (flèche) ainsi qu’une lésion kystique dans la substance blanche (*). Tandis que le cerveau de la souris KO Casp-2 montre une réduction de la perte neuronale (flèche) ainsi qu’une absence de lésion kystique dans la substance blanche. Échelle : 50 µm. D’après Carlsson Y. et
al., 2011
B A
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3. Carence en sérum ou en facteurs de croissance neuronaux
Au cours du développement aussi bien qu’en condition pathologiques, les neurones qui ne parviennent pas à trouver leurs cibles ou des facteurs neurotrophiques dégénèrent.
Les axones des neurones du ganglion spinal (DRNG en anglais) transmettent l’information sensorielle de la périphérie au SNC. In vivo, suite à une axotomie du nerf sciatique, la CASP-2 est responsable de la mort par apoptose des DRNGs et des cellules satellites qui constituent un support trophique. De plus, in vitro, l’inhibition de l’expression de CASP-2 par siRNA protège les DRGN axotomisés de l’apoptose induite par une déplétion en facteurs neurotrophiques (Vigneswara V. et al., 2013).
Les lignées PC12 sont dérivées de pheochromocytoma et sont des bons modèles pour l’étude de la différenciation neuronale et de la neurosécrétion. Ces cellules ainsi que les neurones sympathiques de souris et de rat semblent impliquer la CASP-2 pour l’initiation de l’apoptose en réponse à une carence en facteur trophiques. La répression conditionnelle par siRNA et la répression chronique par transfection protègent les PC12 de la mort induite par une carence en facteurs trophiques (Troy C.M. et al., 1997). En revanche, contrairement aux neurones provenant de souris WT, les neurones sympathiques issus de souris KO CASP-2 restent sensibles à la carence en facteurs trophique et meurent (Jean Y .Y. et al., 2013). De plus, l’expression de CASP-9 au niveau ARNm et protéique est augmentée de 3 fois dans les cerveaux de nouveau-nés CASP-2-/- et de 5 fois dans les cultures de neurones sympathiques (Troy et al., 2000). D’ailleurs l’expression de Smac/DIABLO est également élevée. Ces observations suggèrent donc que l’activité CASP-9 compense la perte de la CASP-2 en activant la voie mitochondriale en réponse à la carence en facteurs trophiques. Ces informations suggèrent que les neurones sympathiques WT possèdent deux voies alternatives impliquant la CASP-2 ou -9 pour induire la mort suite à une carence en facteurs trophiques. Dance ce processus, la voie CASP-2 semble être majoritaire avec une activité proximale de cette enzyme associée à un contrôle de l’activité de CASP-9 par les IAPs, puisque les cultures de neurones sympathiques WT avec une inhibition de l’expression de CASP-2 par siRNA sont résistantes à la mort induite par la carence en facteur de croissance neuronaux (Troy C.M. et al., 2001). Dans des modèles in vitro de mort neuronale aigues par carence en facteurs trophiques, la CASP-2 agit en initiatrice de l’apoptose en amont de la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale dans des neurones corticaux primaires. Dans ce contexte cellulaire, la CASP-2 contrôle le clivage de BAX et sa relocalisation à la mitochondrie pour induire la PMEM
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et l’activation de l’Apoptosome. À l’aide d’outils génétiques et pharmacologiques, Chauvier et
al., en 2005, ont pu démontrer une mise en place séquentielle de l’apoptose où la CASP-2
cytosolique est activée très précocement dans le processus de mort et induit l’activation de BAX, qui est transloqué à la membrane externe mitochondriale et précède à une chute de potentiel transmembranaire de la membrane interne avant le relargage de cytochrome c et la formation de l’Apoptosome qui permet l’activation de CASP-9 puis de CASP-3 (Figure 38).
4. Mitochondrie, stress oxydant et Caspase-2
Des dysfonctions mitochondriales dues à des mutations ou une exposition à des agents toxiques, déclenchent une diminution de la synthèse de l’ATP et une augmentation de la production d’ERO qui peuvent entraîner une mort de la cellule. Le traitement de neurones primaires corticaux avec de la roténone est un bon modèle d’étude pour l’étude de la mort neuronale qui implique des dysfonctions de la mitochondrie. La roténone est une neurotoxine qui inhibe le complexe I de la chaîne respiratoire et qui cause une chute de la synthèse d’ATP et une accumulation de radicaux entraînant un stress oxydant qui peut mener à la mort. Dans ce modèle, Tiwari M. et al., en 2011, ont montré que la CASP-2 agit en médiateur proximal de l’apoptose induite par la roténone sur des cultures de neurones corticaux primaires. Une fois activée la CSAP-2 entraîne la PMEM par activation de BAK pour achever l’apoptose par la voie intrinsèque. Le rôle initiateur de la CASP-2 dans cette voie est appuyé par le fait que CASP-2 induit l’activation des CASP-3 et -9 et que sa délétion prévient totalement de la mort cellulaire en comparaison à l’inhibition des autres Caspases. Dans ce modèle, il s’avère que la CASP-2 est activée par les ERO produits par les dommages mitochondriaux. Parmi les Caspases, CASP-2 possède le nombre maximal de cystéines et compte tenu de la réactivité des cystéines, cela justifie qu’elle puisse être activée par l’anion superoxyde par exemple (Figure 38).
Contrairement aux neurones sympathiques CASP-2-/-, l’absence de CASP-2 dans les neurones corticaux ne semblent pas être composée par d’autres Caspases. Cependant, après une stimulation de ces neurones à la roténone l’autophagie prend le relai en réponse au stress oxydant induits par les dommages à la mitochondrie. Par conséquent, dans ce modèle, les neurones CASP-2-/- traités avec de la roténone qui ne peuvent pas entrer en apoptose induisent l’autophagie pour lutter contre le stress oxydant en éliminant les organites et les macromolécules endommagées. Finalement, si l’autophagie ne suffit pas les neurones meurent par nécrose (Figure 38).
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Figure 38. Modèle proposé
pour l’activation de la CASP-2 dans des modèles de stress neuronaux sur des cultures corticales primaires.
La roténone et la carence en facteurs neurotrophiques induisent l’apoptose par activation proximale de la CASP-2, en amont de la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale. Dans le modèle roténone, lorsque la CASP-2 est absente, l’autophagie prend le relai pour essayer de sauver la cellule, si la réparation échoue, les neurones meurent par nécrose.