La voie mitochondriale de l’apoptose

Chez les Mammifères, le processus apoptotique conduisant à l'activation des caspases, peut emprunter deux voies majeures de signalisation : la voie extrinsèque (ou voie des récepteurs de mort), initialisée à la surface cellulaire, et la voie intrinsèque (ou voie mitochondriale) qui fait intervenir la mitochondrie (figure 20). La voie extrinsèque est déclenchée par la liaison de ligands extracellulaires sur leurs récepteurs membranaires spécifiques, appartenant à la superfamille des récepteurs au TNF (Tumor Necrosis Factor) et au NGF (Nerve Growth Factor). La voie mitochondriale est initiée en réponse à différents stimuli tels que les altérations irréversibles de l'ADN, l’activation d’oncogènes, le stress oxydatif ou encore le stress RE.

Figure 20. Les deux voies principales d’activation de l’apoptose.

La voie des récepteurs de mort (voie extrinsèque) est déclenchée par les membres de la famille des récepteurs au TNF à la surface cellulaire. Le recrutement de la protéine adaptatrice FADD (et TRADD dans certains cas) entraine l’activation de la caspase-8, qui active les caspases effectrices -3, -6 et -7. La caspase-8 peut aussi cliver la protéine pro- apoptotique Bid en tBid (truncated Bid) qui active la voie mitochondriale régulée par Bcl-2. L’activation de la voie mitochondriale (voie intrinsèque), se traduit par la perméabilisation des membranes mitochondriales et le recrutement de la protéine adaptatrice Apaf-1 (Apoptosis protease-activating factor-1), de la caspase-9 et du cytochrome c pour former l’apoptosome, en présence d’ATP. L’apoptosome active la caspase-9 (initiatrice) qui peut ensuite activer les caspases effectrices. Les IAP (inhibitors of apoptosis) inhibent les caspases-3 et -7 mais cette inhibition est elle-même bloquée par le facteur Smac/DIABLO (Second mitochondria-derived activator of caspases / Direct IAP-Binding protein with Low pI) relargué par la mitochondrie lors de sa perméabilisation (Strasser, Cory et al. 2011).

L’implication de la mitochondrie dans le processus apoptotique a été mise en évidence pour la première fois en 1994 par Vayssière et coll. qui ont démontré que la chute du potentiel de membrane mitochondrial (ΔΨm) et l’altération de l’activité mitochondriale constituaient des événements précoces de l’apoptose (Vayssiere, Petit et al. 1994). Ces

travaux, ont depuis été confirmés dans de nombreux modèles cellulaires (pour revue

(Kroemer, Galluzzi et al. 2007). Bien que les détails moléculaires de l’activation de la voie

mitochondriale soient encore sujets à controverse, il est largement admis que cette activation conduit à la perméabilisation des membranes mitochondriales (PMM), à la perte du potentiel

transmembranaire mitochondrial (m) et au relargage, de l’espace intermembranaire

mitochondrial vers le cytosol, de protéines pro-apoptotiques (Patterson, Spahr et al. 2000) comme le cytochrome c (Liu, Kim et al. 1996), l’Apoptosis Inducing Factor (AIF) (Susin, Lorenzo et al. 1999), l’Endonuclease G (EndoG) (Li, Luo et al. 2001), la sérine protéase HtrA2/Omi (High temperature requirement protein A2/ Omi stress-regulated endoprotease) (Suzuki, Imai et al. 2001) et Smac/DIABLO (Du, Fang et al. 2000, Verhagen, Ekert et al. 2000)(figure 21). Les protéines relarguées initient alors la cascade protéolytique des caspases

ou la fragmentation de l’ADN, aboutissant au démantèlement de la cellule (pour revue :

Figure 21. Voie intrinsèque de l’apoptose.

L’activation de la voie mitochondriale s’accompagne de la perméabilisation de la membrane externe de la mitochondrie (contrôlée par les membres de la famille Bcl-2) et/ou de la permeabilisation des membranes interne et externe en réponse à l’ouverture du PTP et entraîne la chute du potentiel membranaire et le relargage de protéines situées dans l’espace intermembranaire vers le cytosol. Parmi ces protéines, le cytochrome c s’associe à Apaf1 et à l’ATP, formant l’apoptosome qui permet l’activation de la procaspase-9 puis des caspases-3, -6 et -7. L’apoptose indépendante des caspases repose le relarguage d’AIF ou d’EndoG qui migrent au noyau pour fragmenter l’ADN (Blondel 2006).

Une fois relargué, le cytochrome c se fixe à la protéine adaptatrice cytosolique Apaf-1, ce qui provoque un changement de conformation de cette protéine et son oligomérisation de façon dépendante de l’ATP. Apaf-1 interagit alors avec la procaspase-9 pour former un complexe multiprotéique nommé apoptosome (pour revue (Bratton and Salvesen 2010)). Ce complexe provoque l’activation par autoprotéolyse de la caspase-9, ce qui induit l’activation en cascade des caspases exécutrices -3 et/ou -7 et de ce fait, conduit à la dégradation des différents composants de la cellule (Bao and Shi 2007). Le relargage des protéines Smac/DIABLO et HtrA2/Omi entraine l’inhibition des IAP, par séquestration dans le cas de Smac/DIABLO (Ho, Li et al. 2007), ou par dégradation dans le cas de HtrA2/Omi (Verhagen, Ekert et al. 2000, Hegde, Srinivasula et al. 2002) et entraîne entre autres, l’activation de caspase-9 ou -3. En parallèle de ces mécanismes, il existe dans la voie intrinsèque une seconde voie indépendante des caspases impliquant l’EndoG et l’AIF qui transloquent vers le noyau (figure 21). L’EndoG est une endonucléase qui coopère avec AIF pour dégrader l’ADN (Li, Luo et al. 2001), tandis que L’AIF est une flavoprotéine impliquée dans la condensation de la chromatine.

Actuellement, deux modèles principaux de PMM sont décrits : le premier repose sur une perméabilisation de la membrane externe, notamment via les la formation d’oligomères des protéines pro-apoptotiques Bax et Bak, et le second est basé sur la perméabilisation des deux membranes via l’ouverture prolongée du pore de transition de perméabilité (PTP) (Kroemer, Galluzzi et al. 2007). A ce jour, la composition exacte du PTP est toujours sujette à controverse. Initialement, ce canal était considéré comme un complexe constitué de VDAC (sur la membrane externe), de l’ANT (sur la membrane interne) et de la cyclophiline D (dans la matrice mitochondriale), dont l’activité serait régulée par plusieurs protéines régulatrices (Brenner and Grimm 2006) Cependant, il a été démontré dans des modèles génétiques de délétions des différents isoformes de VDAC et de l’ANT, que la fonctionnalité du pore est conservée, remettant en question la composition du PTP. La cyclophiline D est la seule protéine nécessaire à la fonctionnalité du pore et est donc le seul membre dont l’implication dans la régulation de l’ouverture du PTP est admise. Récemment d’autres hypothèses ont été proposées sur la nature de ce complexe, notamment par l’équipe de Paolo Bernardi qui a suggéré que le PTP serait formé de dimères de l’ATP synthase (Giorgio, von Stockum et al. 2013).