C.2.1. Caractéristiques des membres de la famille BCL-2
Les protéines de la famille BCL-2 jouent un rôle crucial dans la régulation de l’apoptose. Alors que certaines protéines vont favoriser l’apoptosed’autres vont, à l’inverse, inhiber le processus. La protéine BCL-2, dont le nom est à l’origine de la dénomination de la famille, a été initialement découverte comme un oncogène impliqué dans un lymphome diffus à grandes cellules B chez l’Homme
(follicular B cell lymphomas, BCL) (Tsujimoto and Croce, 1986). Ce n’est que plus tard que l’activité
anti-apoptotique de BCL-2 a été identifiée et qu’un grand nombre de protéines possédant des homologies de séquence ont été isolées et forment aujourd’hui la famille des protéines BCL-2 (Adams and Cory, 1998; Tsujimoto, 1989; Vaux et al., 1988).
Les membres de cette famille se caractérisent par la présence d’au moins un domaine BH (
BCL-2 homology) d’une vingtaine d’acides aminés environ. Au total, il existe 4 domaines BH (BH1, BH2, BH3
et BH4), numérotés en fonction de leur date de découverte. Ces domaines partagent une certaine homologie de séquence qui est importante pour les interactions entre les membres de la famille BCL-2 (Aouacheria et al., BCL-2013; Chittenden et al., 1995). La présence ou l’absence de certains de ces domaines ainsi que la fonction des protéines BCL-2 ont permis de les classer en 3 catégories : (i) les protéines anti-apoptotiques tel que BCL-2, Bcl-XL, ou MCL-1 qui ont la particularité de posséder les 4 domaines BH; (ii) les protéines pro-apoptotiques tel que BAX et BAK qui expriment les domaines BH1, BH2 et BH3 mais pas BH4 ; (iii) et enfin les protéines « BH3-only » tel que BID, BAD ou NOXA qui sont également des protéines pro-apoptotiques mais qui expriment uniquement le domaine BH3. Le domaine BH3 est crucial aux interactions protéines-protéines et est conservé pour tous les membres de la famille BCL-2.
75 C.2.2. Les protéines anti-apoptotiques
Parmi les protéines anti-apoptotiques on retrouve les protéines, BCL-2, BCL-XL, MCL-1, BCL-W, BCL-B ou encore BFL-1. Au début des années 90 de nombreuses équipes ont montré que la surexpression de BCL-2 était associée à une inhibition de l’apoptose dans divers types cellulaires (Nuñez et al., 1990; Sentman et al., 1991; Strasser et al., 1991; Tsujimoto, 1989). Les protéines anti-apoptotiques vont prévenir la perméabilisation mitochondriale en séquestrant les protéines pro-apoptotiques. Pour ce faire, elles vont soit se fixer sur le domaine BH3 des protéines BH3-only afin de les inhiber, soit séquestrer directement les protéines pro-apoptotiques « effectrices » que sont BAX et BAK (Cheng et al., 2001; Llambi et al., 2011) (Figure 19). Des analyses de la structure de 2 et BCL-XL ont montré que les domaines BH1, BH2 et BH3 étaient très proches et formaient une structure ressemblant à une poche hydrophobique (Muchmore et al., 1996). Cette poche est très probablement impliquée dans les interactions avec les autres membres de la famille BCL-2. La première preuve de ces interactions a été apportée en 1993 en identifiant BAX suite à une immunoprécipitation de BCL-2 (Oltvai et al., 1993). Depuis d’autres études ont étudié les diverses interactions entre les protéines pro- et anti-apoptotiques. Ainsi, dans le cas de BAK, son activation est empêchée par les protéines BCL-XL et MCL-1 mais pas BCL-2 (Sattler et al., 1997; Willis et al., 2005). Ce n’est qu’une fois activée que BAK semble pouvoir interagir avec BCL-2 (Cheng et al., 2001). De la même manière, l’activation de BAX est inhibée par les protéines BCL-2 et BCL-XL (Edlich et al., 2011; Gross et al., 1998; Oltvai et al., 1993; Simonian et al., 1996).
Il est à noter que l’échappement à l’apoptose est l’une des caractéristiques d’une cellule cancéreuse (Hanahan and Weinberg, 2011). De façon cohérente, bon nombre de protéines anti-apoptotiques sont surexprimées dans une grande variété de tumeurs comme le démontre la découverte de BCL-2 (Tsujimoto and Croce, 1986). Ainsi, des stratégies d’inhibition de ces protéines sont en cours de développement dans un but thérapeutique. Ce sont de petites molécules, appelées BH3 mimetics, qui vont se lier et inhiber les protéines anti-apoptotiques (Oltersdorf et al., 2005; Tse et al., 2008). Parmi elles, le Venetoclax, un inhibiteur de la protéine BCL-2, vient d’être approuvé par l’agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux (FDA, food and drug administration) pour traiter certains cas de leucémie lymphoïde chronique (Roberts et al., 2016).
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Figure 19 : Vue d’ensemble des interactions entre les différents membres de la famille BCL-2. A la suite
d’un signal apoptotique, les protéines BH3-only vont s’activer et activer à leur tour les protéines pro
-apoptotiques BAX et BAK ou inhiber les protéines anti--apoptotiques. L’inhibition des protéines anti
-apoptotiques peut être reproduite via l’utilisation de molécules pharmacologiques appelées BH3
mimétiques. L’activation des protéines BAX et BAK va conduire à la perméabilisation mitochondriale puis à
l’apoptose. Les molécules anti-apoptotiques peuvent, quant à elles, inhiber les protéines BH3-only ou directement BAX et BAK afin de bloquer la cascade apoptotique.
C.2.3 Les protéines pro-apoptotiques
Les protéines pro-apoptotiques les mieux décrites sont les protéines BAX et BAK qui sont considérées comme primordiales à l’induction de l’apoptose. En effet, des MEFs présentant une double extinction des gènes Bax/Baksont résistantes à l’apoptose induite par de nombreux signaux (Wei et al., 2001). En conditions normales, BAX et BAK sont présentes dans la cellule sous forme de monomère inactif (Wolter et al., 1997). Comme pour les protéines BCL-2 et BCL-XL, les domaines BH1, BH2 et BH3 de BAX et BAK forment une poche hydrophobique à l’intérieur de laquelle une protéine BH3-only peut se loger. En réponse à un signal de mort, et probablement suite à son activation par un BH3-only, les monomères de BAX se transloquent à la membrane mitochondriale où ils vont s’ancrer et former des homodimères. De la même manière, la protéine BH3-only BID induit une oligomérisation de BAK (Wei et al., 2000).
Le groupe des protéines BH3-only est constitué de diverses protéines comme BID, BIM, BIK, BAD, NOXA ou encore PUMA. Leur expression dans des cellules déficientes en BAK et BAX ne permet pas d’induire l’apoptose dans ces cellules. Ces résultats indiquent que la présence de BAK et BAX est nécessaire pour que les BH3-only puissent induire l’apoptose (Cheng et al., 2001; Zong et al., 2001). Plusieurs études ont démontré que toutes les protéines BH3-only étaient capables d’agir sur les protéines BCL-2 anti-apoptotiques et que certaines, comme BID, BIM et PUMA, pouvaient également
77 agir directement sur les protéines BAX et BAK (Chen et al., 2005; Kuwana et al., 2005; Letai et al., 2002) (Figure 19). Elles peuvent alors être séparées en deux groupes distincts : les BH3-only « sensibilisateurs » et les « activateurs ». Les sensibilisateurs initient l’apoptose en se liant aux protéines anti-apoptotiques afin de provoquer la libération de leurs partenaires pro-apoptotiques BAX et BAK (Chen et al., 2005). Par exemple, il a été montré que l’association de NOXA avec MCL-1 déclenchait sa dégradation et ainsi la libération de BAK (Willis et al., 2005). Afin d’activer BAX et BAK, les protéines BH3-only « activateurs » provoquent un changement de leur conformation favorisant leur dimérisation et dans le cas de BAX son intégration dans l’OMM (Eskes et al., 2000; Wei et al., 2000). Au sein des BH3-only, la protéine BID est un peu particulière. Présente dans le cytosol sous forme inactive, elle va être clivée par la caspase 8 en une forme active appelée tBID (truncated BID) qui va se transloquer à la mitochondrie. Cette forme tronquée est capable de se lier à la fois à BCL-2 pour l’inhiber et à BAX pour l’activer (Wang et al., 1996; Wei et al., 2000). Des mutations expérimentales du domaine BH3 de BID inhibent ses fonctions pro-apoptotiques et il devient incapable d’interagir avec BCL-2 ou BAX/BAK. D’autresrésultats montrent que l’activité des protéines BH3-only peut être contrôlée par des modifications post-traductionnelles. En présence de facteur de croissance, BAD est présente dans le cytosol sous une forme inactive suite à sa phosphorylation par différentes kinases. Un stress induit par la diminution voire l’absence de facteur de croissance va conduire à l’accumulation de BAD non phosphorylé qui est libre d’interagir avec les protéines anti-apoptotiques et de bloquer leur action (Zha et al., 1996). Les protéines BH3-only peuvent aussi être régulées au niveau transcriptionnel car il a été montré que l’expression des protéines NOXA et PUMA augmente suite à des dommages à l’ADN (Nakano and Vousden, 2001; Oda et al., 2000).
En résumé, les différents membres de la famille BCL-2 s’engagent dans des interactions complexes les uns avec les autres en formant des homo- ou hétérodimères afin de réguler les processus d’apoptose.C’est d’ailleurs l’hétéro-dimérisation d’une protéine anti-apoptotique avec une protéine pro-apoptotique qui va inhiber leur activité respective (Wang et al., 1998). D’autre part, une grande partie de ces protéines possède un domaine transmembranaire nécessaire à leur fonction. Alors que certaines sont constitutivement liées à une membrane intracellulaire d’autres sont cytosoliques et vont s’ancrer à une membrane en réponse à un stimulus apoptotique (Edlich et al., 2011; Todt et al., 2013).