b. Addition de substances oxydantes au milieu de culture
IV. Le stress oxydatif
IV.2. Stress oxydatif et voies moléculaires
De nombreuses voies de signalisation sont connues pour leur sensibilité face au stress oxydatif. C’est notamment le cas de la voie des MAP Kinase ainsi que de la voie de transduction régulée par NF-κB. La plupart des effets redox vont passer par ces voies de façon plus ou moins directe.
Les signaux extracellulaires comme les cytokines, les facteurs de croissance ou les ROS, vont entraîner des changements au niveau des cellules par l’intermédiaire de mécanismes complexes mettant en jeu des transmissions de signaux allant de la membrane plasmique jusqu’au noyau où l’expression des gènes pourra être modifiée (Karin and Hunter 1995; Karin, Liu et al. 1997). Les cellules eucaryotes possèdent pour la plupart, des cascades moléculaires de kinases capables d’activer des MAPKinases (Mitogen Associated Protein Kinase) (figure16). Des cellules soumises à des stress environnementaux importants comme ceux induits par les ROS, les UV ou la chaleur, sont alors en mesure d’activer plusieurs de ces voies MAPK.
Figure 16 : Schéma récapitulatif des différentes cascades de MAPK
Les cascades de MAPK sont des voies complexes pouvant être activées par différents stimuli et interagir entre elles. Elles peuvent activer un grand nombre de facteurs de transcription (liste non exhaustive). (Pour une revue Yoon, Yun et al. 2002)
Quatre sous-familles de MAPK ont été identifiées comme jouant un rôle fondamental dans le système des cellules eucaryotes : ERK, JNK/SAP, p38 et BMK1 (ERK5). Les voies régulées par ces différents acteurs, sont connues comme possédant des passerelles d’activation via le stress oxydatif. Ces différentes voies étant à la fois impliquées dans différents mécanismes et en relation plus ou moins étroites les unes avec les autres, il est relativement compliqué de définir les fonctions spécifiques de chacune d’entre elles.
- Voie de signalisation ERK :
Le stress oxydatif est bien connu pour être un activateur de la voie ERK dans différents types cellulaires comme les cardiomyocytes, les hépatocytes, les lymphocytes T, les astrocytes, les fibroblastes ainsi que les cellules du muscle lisse, épithéliales ou pleurales. Les acteurs de cette voie, ERK1 (44 kDa) et ERK2 (42 kDa), sont activés par les facteurs MEK 1/2 (MAP/ERK Kinase). MEK1 et 2 sont eux-mêmes activés par les protéines RAF (RAF1,
A-RAF, B-RAF) qui font suite à la protéine RAS dans la cascade de signalisation, l’intervention de cette dernière n’étant pas indispensable. L’activité des protéines ERK peut être régulée de manière indirecte. En effet, la modulation des molécules régulant les protéines MEK, placées en amont de ERK, est capable d’entraîner des modifications d’activité de ERK (Lee, Choi et al. 2005; Lee, Kim et al. 2006). Certains intermédiaires des ROS sont également connus pour leur capacité d’activation du récepteur à l’EGF, conduisant à l’activation des acteurs de la voie RAF/MEK/ERK, et jouant ainsi un rôle sur les mécanismes de prolifération des cellules ainsi que sur leur viabilité (Braun, Buschhausen-Denker et al. 1989; Gamou and Shimizu 1995; Goldkorn, Balaban et al. 1998; Zhuang and Schnellmann 2004). L’activation de ce type de récepteurs n’est pas la seule voie par laquelle la voie de signalisation ERK peut être activée. Les ROS sont également capables d’activer certaines Src kinase (Tapscott, Davis et al. 1988; Lee and Esselman 2002), ces dernières ayant un rôle sur l’activation de RAS et donc potentiellement sur l’activation de la voie ERK. La protéine Src va également être en mesure d’activer la voie ERK en l’absence du facteur RAS (Cho, Thienes et al. 2005). Enfin, le peroxyde d’hydrogène peut aussi conduire à un influx calcique dans différents types cellulaires (Choi and Myer 1990; Howe, LaHair et al. 2002), ayant pour conséquence l’activation de différentes voies moléculaires dont la voie ERK (Atherfold, Norris et al. 1999). De nombreuses molécules sont donc susceptibles d’être impliquées dans la régulation de la voie ERK lors d’un stress oxydatif, parmi lesquelles certaines possèdent un rôle central dans le métabolisme de la cellule comme RAS, PLC ou PKC. L’ensemble des acteurs influant sur la voie ERK va ainsi contribuer à la régulation de la survie des cellules lors d’un stress oxydant.
- Voie de signalisation JNK :
La voie JNK emprunte le même type de cascade de kinase que celle observée dans la voie ERK, celle-ci aboutissant à l’activation de JNK (Jun-N-terminal Kinase). Tout comme la voie ERK, elle fait intervenir plusieurs acteurs comme MKK4/7 (MAPKK4/7), MEKK1/4, Rac ou encore ASK1 (Apoptosis Signal-regulating Kinase 1). L’activation de cette voie moléculaire peut se faire via les récepteurs TNF (Tumor Necrosis Factor) et FAS (Karmann, Min et al. 1996; Batra, Charizanis et al. 2010). La voie JNK peut être activée par une grande variété d’agents de stress cellulaire comme une exposition aux UV, à des métaux lourds ou
aux radiations, ainsi que par certaines drogues et les ROS. Il existe plusieurs cibles en aval de la voie JNK : Jun, ATF-2, Elk2, Nrf2, p53...
Dans le cas d’un stress oxydatif, les molécules MEKK1 et ASK1 vont être activées (figure 17). La modulation du niveau d’ASK1 va se faire directement en fonction du statut redox de la cellule par l’intermédiaire de la thiorédoxine. Cette dernière est un inhibiteur d’ASK1. Le niveau redox de la cellule peut entrainer une inactivation de la thiorédoxine, notamment en présence de ROS. L’inhibition de la thiorédoxine va ainsi permettre l’activation d’ASK1, conduisant la cellule vers la voie apoptotique (Saitoh, Nishitoh et al. 1998; Yoon, Yun et al. 2002).
Figure 17 : Modèle de mécanisme d’apoptose induite par le stress et médiée par l’activation d’ASK1 en fonction du stress oxydatif
(d’après Saitoh, Nishitoh et al. 1998)
De la même façon, l’activation de la voie de signalisation JNK via les récepteurs TNF peut aussi être modulée par le niveau de ROS (Kyriakis, Banerjee et al. 1994; Liu 2003). En effet, l’inhibition d’espèces réactives comme les anions superoxydes ou les peroxydes lipidiques, va conduire à une activation de la voie JNK (Shrivastava and Aggarwal 1999).
La voie JNK semble particulièrement importante pour les mécanismes touchant à la mort cellulaire. Ainsi, l’inhibition de JNK par des peptides spécifiques, bloque la mort cellulaire en réponse à une ischémie. La délétion d’ASK1 est également capable de protéger les cellules d’une mort cellulaire en réponse à un stress oxydant. Dans certains types cellulaires, JNK a été décrit comme possédant des propriétés anti-apoptotiques. Le peroxyde d’hydrogène est ainsi capable d’induire une mort cellulaire par apoptose des cardiomyocytes,
et leur sensibilité à cet agent a été décrite comme inversement proportionnelle à la présence de MEKK1 dans les cellules. Or, JNK, via un promoteur ARE, est capable d’activer l’expression de MEKK1, augmentant ainsi les capacités de protection des cardiomyocytes (Minamino, Yujiri et al. 1999).
- Voie de signalisation p38 :
p38 MAPK peut être phosphorylée et activée à la fois par MKK3 et MKK6. De la même façon que les MAPKKs des voies JNK et ERK, MKK3 et 6 phosphorylent une MAPK, en l’occurrence, p38. Dans la cascade de signalisation, MKK3 et 6 sont directement en aval de la kinase MLK3 elle-même activée par les petites protéines G Rac1 et cdc42 (Teramoto, Coso et al. 1996). Différents facteurs de croissance tout comme les récepteurs de la famille des TNF sont connus pour activer cette voie moléculaire.
Différentes espèces réactives, comme le peroxynitrite (Schieke, Briviba et al. 1999), l’oxyde nitrique (Lander 1996; Lander, Jacovina et al. 1996), le peroxyde d’hydrogène (Guyton, Liu et al. 1996) ou encore l’ion superoxyde (Klotz, Pellieux et al. 1999; Zhuang, Demirs et al. 2000; Cheng, Chan et al. 2001), peuvent activer la voie p38. Le mécanisme d’activation de la voie est très similaire à celui observé pour la voie JNK, les deux voies empruntant en partie les mêmes acteurs moléculaires.
Le facteur RAS est également capable d’activer la voie p38 par l’intermédiaire de Rho de la même façon que lorsqu’il se fixe au récepteur TNF (Modur, Zimmerman et al. 1996; Teramoto, Coso et al. 1996; Ichijo, Nishida et al. 1997). Tout comme la voie JNK, la voie p38 semble donc posséder un rôle important dans l’initiation de l’apoptose des cellules en réponse à un stress oxydatif.
L’équipe de Muñoz-Cánoves a également mis en évidence un rôle important de p38 dans la régulation de différents facteurs impliqués dans la régulation de la différenciation musculaire ainsi que dans des phénomènes d’inflammation faisant intervenir les macrophages. Les capacités de p38 à modifier l’activité de facteurs comme MyoD (Lluis, Ballestar et al. 2005), NFκB (Baeza-Raja and Munoz-Canoves 2004) ou l’expression de différents gènes impliqués dans la différenciation (Lluis, Perdiguero et al. 2006), en font un acteur majeur de l’homéostasie du muscle.
- Voie de signalisation BMK1 (ERK5) :
La voie BMK1 est la dernière voie MAPK à avoir été découverte. Tout comme les trois autres voies MAPK, la voie BMK1 est activée lors de stress cellulaire (Kamata, Honda et al. 2005) ainsi que par certains récepteurs couplés aux protéines G (Marinissen, Chiariello et al. 1999) et certains récepteurs de facteurs de croissance comme le NGF (Kamakura, Moriguchi et al. 1999) et l’EGF (Kato, Tapping et al. 1998; Kamakura, Moriguchi et al. 1999). Différentes études ont émis l’hypothèse d’un rôle de BMK1 dans la prolifération (Kato, Tapping et al. 1998), la différenciation (Cavanaugh, Ham et al. 2001) et la survie des cellules (Cavanaugh, Ham et al. 2001). L’activation de BMK1 peut se faire par le peroxyde d’hydrogène dans de nombreux types cellulaires (Abe, Kusuhara et al. 1996). Cette activation peut nécessiter la présence du facteur Src pour certains types cellulaires. En général, l’activation redox de la voie BMK1 va conduire à un effet anti-apoptotique (Suzaki, Yoshizumi et al. 2002).