Le rôle protecteur des Hsp vis-à-vis de la toxicité du cadmium est largement décrit dans la littérature. Diverses Hsp sont surproduites suite à des expositions au cadmium ; cela varie en fonction de la dose administrée et de la sensibilité des types cellulaires utilisés. La protéine Hsp70 n’est exprimée que dans des cellules traitées à des concentrations de cadmium suffisantes pour inhiber la croissance cellulaire et induire la mort (Urani et al., 2007). En concentration sub-létale, le cadmium induit la transcription des gènes de Hsp 10, 40, 60, 70, et
L’induction des ARNm des Hsp 60 et 70 suite à une exposition au cadmium avait déjà été montrée (Somji et al., 2000) dans les tubules proximaux humains. Dans d’autres lignées cellulaires comme les lignées rénales épithéliales proximales de chien MDCK et distale de porc LLC-PK1, le cadmium induit l’expression du gène de Hsp27 (Bonham et al., 2003).
a. Hsp 70
La famille des Hsp 70 est impliquée dans de nombreuses fonctions cellulaires comme la traduction, la translocation de protéines, la protéolyse, le repliement de protéines, la suppression de l’agrégation et la réactivation de protéines dénaturées. Ses membres sont localisés dans le cytosol, les mitochondries et le RE. La structure des protéines Hsp 70 chez les eucaryotes est très voisine de celle de son équivalent procaryote (appelé DnaK). Hsc 70 représente la protéine constitutive de masse moléculaire voisine de 70 kDa et Hsp 70 est la protéine inductible. Hsp70 est produite à un faible niveau dans les cellules non stressées. Hsp 70 se lie sur les chaînes polypeptidiques naissantes des ribosomes et permet le maintien de la conformation de la protéine néo-synthétisée lors de sa translocation à travers la membrane mitochondriale ou du RE (Liang, 1997). Parmi les Hsp, la protéine BIP ou Grp78 (III-4 b) est associée à ce transport à travers le réticulum endoplasmique.
Le cadmium induit l’expression de Grp78 dans plusieurs types cellulaires comme les fibroblastes de rat NIH3T3 (Sugisawa et al., 2004), les cellules épithéliales pulmonaires humaines A549 (Croute et al., 2005), ainsi que dans les cellules HeLa (Cigliano et al., 1996).
L’étude de l’effet du cadmium sur des cellules HeLa rendues résistantes au cadmium par exposition à des concentrations croissantes (H454) a apporté de nouveaux éléments pour la compréhension des mécanismes de résistance. Les cellules H454 accumulent des concentrations de cadmium très fortes contrairement aux cellules parentes et supportent des concentrations de cadmium dix fois plus élevées (Cigliano et al., 1996). Par contre la sensibilité vis-à-vis du zinc est identique pour les deux lignées. Les éléments caractéristiques de cette résistance sont :
o Une augmentation d’environ deux fois et demi du taux d’ARNm de métallothionéines par comparaison avec les cellules HeLa dans le cas d’une exposition au zinc ou au cadmium,
o Une surexpression de l’ARNm de Grp78 et Hsp70 par exposition au cadmium mais pas au zinc. La synthèse de Hsp 70 n’est pas modifiée dans les cellules H454 sous choc thermique, signifiant que l’activation de la transcription de Hsp70 est distincte suivant que les
cellules sont exposées au cadmium ou à un choc thermique. De même, les mécanismes de l’activation de la transcription de Grp78 sont distincts suivant une exposition au cadmium ou une forte diminution de calcium.
L’étude de l’évolution de Grp78 vis-à-vis du cadmium a été effectuée sur des cellules épithéliales rénales porcines LLC-PK1, organe cible du cadmium dans l’organisme. Les auteurs ont montré par la technique d’ARN interférentiel dirigé contre Grp78, que le chlorure de cadmium induisait l’accumulation de la Grp 78 dans le RE de manière temporelle et dose dépendante (Liu et al., 2006). De nombreuses études montrent que le cadmium compromet l’intégrité structurale des protéines (Jungmann et al., 1993). Hsp70 joue alors son rôle de chaperonne en se fixant aux protéines endommagées afin de restaurer leur configuration native et donc leur fonction. L’interaction des Hsp70 avec les protéines mal ou non repliés induit une diminution du pool de Hsp70 ce qui déclenche une réponse au stress. L’activation des gènes codant pour les HSP se produit lorsque le Heat Shock Factor, normalement associé au pool de Hsp 70, se lie sur le motif Heat Shock Element des ARNm déclenchant ainsi la néo-synthèse de Hsp 70 (Morimoto, 1998).
Il a été montré sur des tumeurs de cerveaux de rats que la présence de cadmium pouvait activer HSF-1 par phosphorylation conduisant à l’induction des gènes de Hsp 70. L’activation de HSF-1 s’effectue via des intermédiaires distincts suivant la dose de cadmium administrée.
En présence de 60 µM de cadmium, les protéines ERK1/2 (Extracellular-regulated protein kinases 1 and 2) sont phosphorylées conduisant à l’activation de HSF-1 tandis que 100 µM de cadmium activent préférentiellement la MAP kinase p38 (Hung et al., 1998). De plus une concentration intermédiaire active les deux voies de façon synergique. L’activation des ERKs par les plus faibles doses de cadmium provoque une réponse mitogène qui est considéré comme un mécanisme d’adaptation en cas d’exposition future au cadmium, tandis que l’activation de p38 est associée à l’induction de l’apoptose.
Une autre étude réalisée dans les cellules HeLa, a montré que la présence de cadmium et de zinc induisait la fixation de HSF1 sur le motif HSE du gène de Hsp 70. Un nouvel aspect mécanistique de la réponse au stress est suggéré ; en effet le facteur de transcription MTF-1 impliqué dans l’induction de gènes, entre autres de la métallothionéine, diminue la transcription de Hsp 70. La répression des gènes régulés par la fixation de HSF1 sur le motif HSE du gène de Hsp 70 s’effectue via une interaction protéine-protéine entre
MTF-1/MRE ; ce qui est cohérent avec ce qui avait été rapporté antérieurement, à savoir que HSF1 n’active pas la transcription dépendant de MTF-1 (Saydam et al., 2003).
c. Hsp 40
Il existe actuellement cinq protéines membres de la famille des Hsp40 dans le RE dont ERdj3, assez récemment caractérisée (Nakanishi et al., 2004). Les Hsp40 sont des co- chaperonnes de Hsp70 et ont été proposées comme un stimulant de l’activité ATPase de Hsp70 facilitant la liaison du substrat à la chaperonne. Les Hsp70 sont souvent localisées dans le même compartiment sub-cellulaire et avec plusieurs membres des Hsp40 qui ont des fonctions individuelles spécialisées. ERdj3 est localisée dans la lumière du RE et intervient dans la protection des cellules neuroblastiques en cas de stress du RE provoqué par la tunicamycine ou la thapsigargine (perturbation de l’homéostasie calcique) (Nakanishi et al., 2004).
d. Hsp de faibles masses moléculaires
Localisée dans le cytosol, Hsp 27 migre au noyau en cas de stress. Cette chaperonne possède une activité indépendante de l’ATP. Les Hsp de faibles masses moléculaires (<30kDa) jouent un rôle important, non seulement dans la réponse au stress, mais participent aussi à la régénération de microfilaments et préviennent de la fragmentation de l’actine en cas de stress (Liang and MacRae, 1997). L’association de Hsp27 aux microtubules et tubuline des cellules HeLa en interphase et mitose a notamment été montré par immunoblot et immunohistochimie (Hino et al., 2000). Lorsque Hsp27 n’est pas phosphorylée, elle forme des oligomères afin de jouer son rôle chaperon, et possède une activité inhibitrice de la polymérisation de l’actine. Cependant, l’incubation de cellules médullo-surrénales (Leal et al., 2007) ou de macrophages alvéolaires (Rogalla et al., 1999) en présence de cadmium induit la phosphorylation de Hsp27 par la MAP kinase activated kinase 2 (MK2) qui dépend de p38 (III-5 c) (Rogalla et al., 1999). L’induction de la voie de signalisation p38 s’effectue probablement par les espèces réactives de l’oxygène générées par le cadmium (Rogalla et al., 1999). La phosphorylation de Hsp27 entraîne la dissociation des oligomères en dimères (Kato et al., 1994). L’intérêt de Hsp27 dans la protection des cellules vis-à-vis du cadmium réside dans son rôle anti-apoptotique, en particulier par interaction directe avec le cytochrome c. Hsp 27 se lie avec la chaîne poly-ubiquitinylée et au protéasome 26S. La surproduction de Hsp 27 dans plusieurs types cellulaires augmente la dégradation de protéines, dont la protéine
phosphorylée I-κBα, par le protéasome, ce qui permet l’activation du facteur de transcription NF-κB (Garrido, 2002) et un effet anti-apoptotique (Parcellier et al., 2003).