Apoptose et mitochondries

Apoptose et Initochondries Le cote obscur de l'organite Etienne Jacotot, Karine F. Ferri, Guido Kraemer

-te regarde la mortcomme unphenomene d'adaptation, ie ne aols pas que la vie soitreduite aune certaine mesure detemps, parce que d'apres tanature deson ere. eile nepourrait Mre inf/nie, mais patce quune duree inf/nie del'individu constituerait un luxe tout afait inoppottun. » August Weissmann (Essais sur I'heredite et la selection naturelle, Reinwald, 1892, pp. 21-22),

Parmi les nombreux champs d'etude de la blologle, rapoptose est devenue un domalne a part entlere au cours des annees1980. Les mecantsmes de cette mort cellulaIre, au cours de laquelle rentue mourante partldpe activement a sa destruction, commencent a etre comprls. Apres avolr constdere rapoptose comme un pnenornene controle au nlveau nudealre, puis orcnestre par une famille de proteases catabollques, les caspases, de nombreux « apoptologues • pensent aujourd'hul que la mort cellulalre est regie par les rnecanlsmes qui determlnentla permeablllsation du compartlmentmitochondrial. Cette vision recente a permis un bond Important dans la comprehension de ce processus central de la blologle.

1. La mort cellulaire Les sdences de la vie ant longtemps consldere la mort comme un domalne hors de leur champ d'investigation. La blologle cellulalren'a que recernment echappe a cette exclusion de prlndpe. Cest pourtant en 1842, 3 ans apres renonce mernede la theorle cellulalrepar Sclhelden et Schwann, que K Vogt publle les premiers travaux portant sur la mort cellulaireqU'1I observelars de la metamorphose du tetard en aapaud (chez Ie aapaud accoucheur, Afytes obstetrIcans). Vingt ans plustard A. Weissman, puisd'autresauteurs, decrlvent des phenomenes de mort cellulaIre au cours de la metamorphose des insectes. En 1906, Ie cytologtste Collin observe Ie developpement embryonnalre

Apoptose en pathologie humaine du pouletet montre une mort neuronale massive. Pourtant, probablement a cause deI'absence decadre conceptuel lntegrant la mort cellulaIrecomme un element inherent ala physiologie, aucun deces auteurs neparaitavolr realise rtmportance fondamentale de la mort cellulaire. Et meme sl, en 1920, M. Ernst et A. Glucksmann decouvrent que ta mort cellulaire est un phenomene general au cours de l'ernbryogenese des vertebres, la diffusion de ce concept restera jusque dans lesannees 1970 confine au cercle des spedatlstes de l'ernbryologle (45). En 1903, Metchnikoff proposa Ie terme de • thanatologle • (du nom du dieu grec de la mort, Thanatos) pour designer l'etude scientifique de la mort (Etudes sur la nature numaine, Maloine, Paris, 1903, 1re edition). En consequence, nous preconlsons Ie terme de • cytothanatologie • pour designer Ie champ d'etude des processus de mort cellulaire. En temps que branche de la biologie cellulaire, la cytothanatologle n'est tlmldement nee qu'en 1965, grace aux travaux de J.F. Kerr sur la degenerescence cellulaire du fole apres ligature de la veine porte (41). Kerr decrlt deux types morphologiques distincts de mort cellulaire : la necrose et I'apoptose. Dans Ie premier cas II s'aglt d'unemort acddentelle, raplde, Impliquant une rupture de differents compartlments menant a• I'exploslon • de la cellule: c'est la necrose. Dans Iesecond cas, la cellule se condense (Kerr utilisa Initialement Ie terme de • shrinkage neaosls ») [42) puis forme des Invaginations qui evoque une • Implosion " et enfin elle est phagocytee par les cellules envlronnantes : c'est rapotacnevement)-ptOse(chute) dont Ie terme, choisl en evocation de la chute des feuilles caduques en automne, sous-entend un rOle horneostaslque [43). La classification actuelle des differents types de mort cellulalre mene a quelques arnblgultes sur les termes et les crlteres cnotsls, Concernant rapoptose, des crlteres morphologiques (reduction du cytoplasme, ano'ikls, lntegrlte de la membrane plasrnlque, relocallsatlon des organites cytoplasmlques, margination puis pycnose chromatinlenne, et enfin fragmentation du noyau et du cytoplasme en • corps apoptotiques .),blochimlques (chute du potentiel trans-membranaire mitochondrial, ecto-exposition des phosphatldyl-sertnes, activation de proteases de la famllle des caspases - aspartate proteases a cysteine -, decoupage de I'ADN en fraglJlents de haut polds moleculalre et/ ou en otlgonudeosomesl et tonctlonnels (phagocytose de la cellule mourante par des macrophages) dolvent co'inclder (19, 38, 129). Les autres types de mort cellulaire sont molns bien caracterlses, et leur reconnaissance se fait princlpalement surdes crlteres morphologiques (38, 60). Atitre d'exernple, on peut mentionner que certains auteurs dlstinguent un phenotype autophaglquede mort cellulaire [1 3, 19). II faut noter que cette distinction estpotentiellement source de confusions dans la mesure ou Ie processus d'autophagle (catabolisme de composants Intracellulaires par les Iysosomes) s'observe aussllors de rapoptose (18, 38, 112). Par allleurs, Ie termed'oncose est preconlse par certains auteurs a la place du terme necrose (dans Ie but d'evlter la confusion avec son utilisation en histologle) pour decnre lesmorts cellulalres assodees a un gontlement du cytoplasme et des organites, alnsi qu'a une rupture rnecanlque de la membrane plasmlque [19, 39, 68, 92, 113). QU'II s'aglsse de mort apoptotique, oncotlque (necrose au sens de Kerr) ou autophaglque, I'etat des mitochondrles s'avere etre un excellent onere pronostlque quant a la survle cellulaire [59, 113).

Apoptose et mitochondries

2. La mitochondrie : vitale et l€~tale En 1890, Altmann decouvrlt un ensemble d'organites Intracytoplasmlques, divers quant a leur forme et leur nombre rnais semblables quant a leur structure: ce • bioplaste • fut baptise chondriorne (du grecchondrion : • petit grumeau .) par Meves en 1908. Les princlpaux elements du chondrlome turentdecrlts par Benda en 1897. On distinguait Initialement leschondrlocontes, petits batonnetsetroltset f1exueux (2 a 4 11m), lesmltochondrles, granules pius ou moins spherlques (0,3 a 0,5 11m de dtametre), et les chondriomites (mitochondrles allgnees en chapelet). Seul Ie terme mitochondrle est encore utilise aujourd'hui. Les mitochondries seraient apparues 11 y a 1,5 milliard d'annees par assodatlon symbiotique entre un proto-eucaryote et leur • ancetre • bacterlen (unearchebactene) 127, 40, 123). Elles possedent effectlvement une serte de caracteristlques qui refletentleur orlglne endosymblotique : une structure avec une double membrane dellmltant ainsl deux compartiments, la matrice et respace Inter-membranalre (31); un genome clrculaire (16569 pb chez l'homme) ; et des systemes propres de transcription-traduction. La plupart des cellules contiennent des centalnes de rnltochondrles. Cependant, Ie nombre, la taille et la position des mltochondrles dependent du type cellulaire et refletent generalernent les besoins energetlques de la cellule. La forme et les changements de localisation sont assodes a un transportactif via des Interactions avecleselements du cytosquelette et dependent de processus continuels de fusions et fissions [27, 130, 131), Les trois prindpalesfonctlons du chondriome sont la production d'energle, la generation d'especes reactlves de roxygene (ROS, reacuve oxygen spedes) et la regulation de l'apoptose, La mitochondriegenere l'energle cellulalre sous forme d'ATP, grace au processus de phosphorylation oxydatlve (OXPHOS, oxidative phosphorylation) qui a lieu au niveau de la membrane Interne (Mil (93). Dans les conditions physlologiques, la MI est quasl Impermeable. Au cours de I'OXPHOS, deselectrons sont generes a partir du NADH produit par roxydatlon des nutriments, et sont transferes a roxygene moleculaire via une sene de quatres complexes enzymatiques (J : NADH deshydrogenese, II : succinate deshydrogenase, III: cytochrome bel' rv : cytochrome C oxydase) lnseres dans la membrane Internede la mltochondrle. Le passage des electrons entreces complexes produit de renergle qut est utilisee pour expulser des protons (H+) de la matrlce vers respace Inter-membranaire. Ce couplage chlmlo-osmotlque cree un gradientetectrodurntque Wi') qul est posltif et adde du c6te extemede la membrane interne, et negatlf et alcalindu cote matrldel. L'exlstence du li\l'm (li\l' mitochondrial) autorlse une diffusIon facllltee spontanee de W vers la matrice via Ie canal de la partie Fo de la F,Fo ATPase [appelee aussl ATP synthase ou complexe V). Ce flux de protons est utilise (couplage osmochimlque) par Ie complexe V pour fabrlquer de rATP(condensation de rADP avecdu Pi). L'ATP matrldel produu est ensuite exporteen echange d'ADP par Ietranslocateur nudeottdtque ~ adenine (ANT, adenine nue/eotide trans/oeaton qul fonctionne done comme un antlport. L'OXPHOS est aussl la prlndpale source de ROS (anion superoxyde ~.-, peroxyde d'hydrogene H2 0 2 , radical hydroxyl OHO) qul sontdessous-prodults toxiques de la respiration maisaussl desseconds messagers capables de pro-

Apoptose en pathologie hurnaine

pager dlfferents signaux (pro-inflammatoires, croissance cellulaire, etc.) [9, 17, 73, 90, 124). Si des electrons s'accumulent au niveau du complexe I ou du complexe II, lls peuvent reaglr directement avec roxygene rnoleculalre ~ pour former O2 '- . Ce dernier est detoxlfle en H2 0 2 par la superoxyde dismutase manganese (MnSOD). En presence d'lons ferreux (Fe2+), I'H2 0 2 est susceptible de subir la reaction de Fenton (conversion en OH', un radical hautement reactif). Pour evlter-redulre cette production d'OH, I'H2 0 2 est converti en H20 par la glutathion peroxydase (GPx). Outre leur role essentiel de « centrale energettque • de la cellule, les mitochondries se sont revelees, au cours des annees 1990-2000, etre des acteurs essentiels de I'apoptose [15, 20, 33-35, 46, 47, 52-56, 65, 69, 75, 80, 88, 97, 104, 119, 132, 134, 135). On peut rneme dire que de nombreuses equlpes de recherche ont adopte une vision -rnltochondrlo-centrtque- de I'apoptose lfigure 7). En consequence, iI est aujourd'hui usuel de decrlre l'apoptose par un modele triphasique qui comprend : a) une phase d'initiation au cours de laquelle les dlfferents signaux convergent vers la mitochondrie ; b) une phase de decision, controlee par les membres de la famille de l'oncoproteine Bcl-2, et qui se concretlse par fa permeablllsation des membranes mitochondriales (PMM)et la liberation de facteurs apoptogenes ; c) enfin, une phase de degradation mettant en jeu des hydrolases cataboliques, proteases (en particulier

a

"'pn- d'IDdlldloal mltlKhondrialt

Phacdc dkl 'o mltlKhondrlalc

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1

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Figure 1. Modele triphasique de la cascade apoptotique. Differentes voies de l'induction de l'apoptose (voies pnvees) convergent sur la mitochondrie. La permOObilisation des membranes mitochondriales conduit a la lil:leration des SIMPs (soluble intermembrane mitochondrial proteins) qui declenchent la phase de degradation de l'apoptose.

I

Apoptose et mitochondries lescaspases) et DNases, qui dlgerentde multiples composants cellulalres. La cellule mourantepresente a cestade lesstigmates rnorphologlques et blochlmiques prototyplques de I'apoptose. Cette conception s'appule sur quatre families d'arguments : dnetlques, pharmacologlques, blochlmiques (systernes acellulalres) et genetlques, Primo, dans la plupartdesrnodeles d'inductiond'apoptose, la premiere perturbation cellulaire detectable estune dissipation du potentieltransmembranalre mitochondrial WPm) (80, 119, 134-136). Ces prernkes de mort survlennent bien avant les alterations nudealres et les modifications de la membane plasmlque. Secundo, differentes molecules naturelles ou synthetlques aglssent directement sur des protetnes mitochondrlales et exercent par ce blals un effet pharmacologlque pro-apoptotique (atractyloslde, lonidamlde, protoporphyrlne IX) ou antl-apoptotlque (cyclosporlne A, adde bongkreklque) (37, 55). De plus, dans certains systernes experlmentaux, I'oligomydne (un Inhibiteur de la F1 ATPase) prevtent I'apoptose. Tertlo, des systemes acellulalres, dont Ie prlndpe est de combiner des organites purifies (noyaux, cytosol, mitochondries) avec des Inducteurs de I'apoptose, permettent de reconstltuer In vitro la hlerarchle du processus apoptotlque (65, 66, 75, 105, 136). Grace a cetype d'approche, on peut montrer que des cytosols de cellules traltees par un Inducteur classlque de I'apoptose (par exemple la staurosporlne) ntndulsent I'apoptose de noyaux tsotes qu'en presence de mitochondries. C'est aussl grace aux systernes acellulaires qU'1I fut rnontre que la mltochondrle exerce son effet apoptogene en llberant des protetnes capables de dedencher rexecution de la sentence de mort (46, 65, 106-108, 132).Quarto, les membres antl-apoptotiques de la famille de roncoprotelne BcI-2 Interaglssent physlquement avecdes protelnes des membranes mitochondrlales et lnhlbent la mort cellulalre (52, 56, 71). En outre,lesmembres de la famllle Bcl-2/Bax (94, 114, 118) presentent des ressemblances structurales avec certaines toxlnes badertennes capables de former descanaux (74, 94). Merne slla plupart desspedallstes de la mort cellulaIre admettentIe rOle central de la mitochondrle au cours de I'apoptose, II n'exlste pas encore de consensus sur Ie mecanisme par lequel cette • boite de Pandore • lntegre les differents signaux (pro- ou antl-apoptotlques) et llbere ses maux (Jes facteurs executeurs de I'apoptose) dansIe reste de la cellule.

3. Signaux apoptogenes et controle de la permeabilisation des membranes mitochondriales Les mltochondrles exposees a divers seconds messagers pro-apoptotiques presentent des slgnes de permeablllsatlon de leurs membranes Interne et externe. L'lncubation de mitochondrles purlflees avecdesprotelnes recomblnees pro-apoptotiques de cette famllle (Bax, Bakou Bid), declenche une permeabtltsatlon des membranes mitochondrlales (PMM) (22, 37, 48). Dans de multiples modeles d'apoptose, la protelne Bax qultte Ie cytosol (ou elle est

Apoptose en pathologie humaine sous forme monornerlque) pour s'assoder aux membranes mitochondrlales (ou elle forme des ollgomeresl [1, 29). Cette translocation du cytosol vers la mitochondrie lars de l'apoptose existe aussl pour les protelnes Bid, Bad et Blm [10,82). Dans Iecas de Bid, cette relocalisation estdedenchee par clivage proteolytlque (Bid devient tBid) catalyse par la Caspase-8 163, 67). Bad subit une dephosphorylation par des phosphatases (par exemple la calclneurlne) cequllnduit un changement de conformation qul ubere Bad de sa sequestration cytoplasmlque par la protelne 14-3-3 (23). II estetabll que sd-z prevlent la plupart desformes d'apoptose et certaines formes de necrose. Cependant, les Caspases-t et -3 peuvent respectivement cliver Bcl-Xt. et Bcl-2 ce qui a pour effet de convertir ces protelnes antl-apoptotiques en protelnes proapoptotlques (44). Dans certaines conditions (agents genotoxlques), la SAPK (stress-activated protein kinase) se transloque vers la mltochondrie, phosphoryle et Inactive Bcl-XL• Ces exemples lIIustrent comment dlfferentes molecules transductrlces (klnases, phosphatases, caspases) peuvent Influencer la localisation subcellulaire et/ou la fonctlon des protelnes membres de la famille Bd-2. Tres recernment, II a eternontrequedes facteurs de transcription telsqueTR3 (appele aussl Nur77 ou NGFIB) ou pS3 sont capables de quitter Ie noyau et d'aller a la mltochondrlepour dedencher la PMM via un mecanisme qui reste a decouvrlr (62). D'autres effecteurs non protelques convergent vers la mitochondrle et Indulsent la PMM [81. C'est Ie cas du Ca2 +, qui est produit sous forme de d'impuisions locales llees a I'ouverture de recepteurs de I'inositol l,4,S-trlphosphate a l'lnterface rnltornondrle-retlculum et qui dedencne la PMM In situ (109). Certains Iipides apoptogenes sont aussl des Inducteurs efflcaces de la PMM. Parexemple, Iecerarnlde genere au nlveaude la membrane plasmlque par une sphtngornyeltnase adde ou produit par activation locale d'une ceramlde synthase mitochondriale, favorise la PMM. Le mecanisme emprunte pourrait Impliquer une reduction de la concentration calclque requlse, une activation de PP2A, et/ou un effet de permeabtllsatlon directde la membrane mitochondriaIe (89). Le ganglioside GD3 est aussl un Inducteur efficace de la PMM aussl bien in situ qu'apres adjonctlon a desmitochondrles lsolees (9S). Les acldes gras satures (par exemple Ie palmitate), qui sont produltsen exces lorsde rtscnernte cardlaque, dedencnent la PMM de mitochondries lsolees (49). Les ROS, res produits de peroxydatlon des Iipides (par ex. : rnydroxy-z-nonenan ou encore I'oxyde nitrique(NO) peuventIndulrela PMM In vitro et In vivo.

4. La PMM, mais par quels meccnismes ? La protelne la plus abondante de la membrane externe (ME) des mltochondries est la porlne ou VDAC (voltage-dependent anion cnannei: Au cours de rapoptose, la permeablltsatlon de la ME autorlse la translocation de protelnes normalement conflnees dans respace Inter-membranaire (par exemple Ie cytochrome C). Dans des cellules Intactes, II est possible d'observer et de quantifier la permeablnsatlon de la ME par mlcroscopie confocale a la suite dun Immuno-marquage ou apres transfection des cellules avec un ADNc

Apoptose et rnitochondries

codant pour une chlrnere green fluorescent protein/cytochrome c. Dans certains modeles d'apoptose, la microscop ie electronlque revere des zones de rupture de la ME avec des hernies locales de la MI (membrane interne). Comparativement a la ME, la permeabilisation de la MI est selective en ce sens qu'elle ne conduit pas au relargage massif des protetnes matricielles. La perrneabltlsatlon de la MI se traduit par une augmentation de permeablllte vis-avis des solutes < 1 500 Da, une dissipation du gradient de ~, une sortie importante des petits solutes (Ca 2+, glutathion), et/ou un influx d'H20 et de saccharose (qui, in vitro, conduit a un gonflement global de la matrice). La permeabllisauon de la MI est mesurable par chargement du cytosol ou de la matrice mitochondriale avec de ta calcelne (un fluorochrome hydrophile de 620 Da qui ne traverse pas la MI intacte), Alternativement, la determination du ~'¥m (a l'alde de sondes cationiques Iipophiles telles DiO~ ou JC-l) constitue une mesure indirecte de la permablllte de la MI. Concernant Ie dedenchement de la PMM, six types de mecanlsmes (qul peuvent coexister) ont ete proposes /figure 2).

Pores lipidique

Pores formes par la multimerisation de

••

•

Bax

•••

MI

• .

CYI.C AIF

Figure 2, Mecarusmes de perm8abilisalion des membranes mitochondIiales (PMM). Trois rnodeles reposent sur Ie gonfiement matriciel qui provoque une rupture mecoruque de la membrane mitochondriale externe : a) la fermeture de la ponns (VDAC) et l'alteration de l'echange ATP/ ADP ; b) l'ouverture du PTPC (pore transition permeability complex) : Ie PTPC inclut Ihexokinase (HX), la ponne ou VDAC (voltage-dependent anion channel), Ie translocateur de nucleotides adenine (AN1) et la cyclophiline D (Cyp D) ; c) rANT comrne pore-independent. Trois autres rnodeles proposent la formation de pores dans la membrane externe : a) formation d 'un pore lipidique sous l'influence de la proteins Bax ; b) Bax regwe la taille des pores formes par Ie VDAC ; c) Bax oliqornense et forme des canaux au sein de la membrane externe en reponse certains signaux apoptotiques (comme la form e clivee de Bid ou une augmentation du plf) . La sortie subsequente du cytochrome c ne s'accompagne pas necessoirernent du gonfiement de lamatrice . ME, Ml : membranes externe et interne.

a

a

Apoptose en pathologie humaine -La fermeturede la porlne (VDAq et l'alteratlon de recnangeATP/ADP (120,

121). Danslesconditions normales, les protons qui accedent a I'espace IntermembranaIre (grace au couplage chimlo-osmotlque) retournent dans la matrlcevia la FoF1 ATPase. Lorsque Ie VDAC seferme,I'ADP n'entre plusdans la mitochondrle; en consequence la FoF1 ATPase ne fonctlonne plus et les protons s'accumulent dans respace. Cela entraine une perturbation generate du metabonsrne mitochondrial qui dedenche diverses consequences tetaies telles que Ie gontlement de la matrice et la production de ROS. La protetne Bcl-Xl pourralt Interaglr avec Ie VDAC et Ie malntenir ouvert prevenant alnsl Ie dysfonctlonnement mitochondrial et l'apoptose subsequente, - Le PTPC ou la porte desenfers (71, 98). Au cours de la plupart desscenarios d'apoptose, Ie ~'Ilm chute. Cela retlete I'ouverture d'un canal de forte conductanceconnu sous Ie nom de pore de transition de permeablllte (pTPe permeabilitytrasltlon porecomplex,. II s'aglt d'un complexe polyprotelque localise aux points de contact entre les membranes mltochondrlales Interne et externe. Touslescomposants du PTPC n'ont pasencore eteIdentifies maisII semble que des variations de composition (stoechlornetrle, Isoformes) existent suivant Ie type cellulaire et/ou l'etat physlologique. Le modele de la • porte des enfers « propose que lesmessagers secondaires de l'apoptose (parexemple la protelne Bax) agissent directement sur Ie PTPC, de maniere a Induire une cooperation entre ses deux prindpaux composants : rANT (insere dans la MI) et Ie VDAC (insere dans la ME). LePTPC adopte alors une conformationouverte(porenon spedfique), ce qui provoque la dissipation du gradientde protonsde la MI, un decouptage de la chaine resplratoire et surtout un gontlement de la matrlce mitochondriaIe (I'hyperosmolarite de la matrice dedencheune entreed'eau et de petitssolutes). Lors de I'expanslon de la matrlce, rexces de surface de la MI (cristae) par rapport a la ME serait responsable de ruptures de la ME par effet mecantque, Pris dans sa version la plus simple, ce modele (Ia porte desenfers s'ouvrelrreverslblernent : c'est la fin du monde cellulaire) estdiffidlement compatible avec certaines donnees recentes de modeles d'apoptose ou ron observe, par exemple, une sortiedu cytochrome cqui precede la chutedu ~'IlrnII estcependant aussl envisage que Ie PTPC s'ouvre de manlere transltolre (81). - L'ANT comme pore lndependant (56). Ce modele s'apparente a celul de la porte des enfers (PTPq en ce sens que I'adoption d'une conformation • pore ouvert « par I'ANTconduit a la dissipation du gradient de protons et au gont1ement de la matrlce. Mals dans ce modele Ie VDAC ne sert qu'a contr61er I'accessibilite Intra-mitochondrlale des eventuels ligandsde I'ANTet ce, mdependamment de l'eventuelle association physiqueVDACIANT. Les trois autresmodelesenvlsagent la formation dun large canal dans la membranemitochondriaIe externe qui permettrait de IibererIe cytochromec sans alterer les mitochondries. Selon certains auteurs, la permeablflsatlon localede la membrane externe avecsortie du cytochrome c seraIt Ie point de dedslon de la mort, et les modifications du PTPC et de la membrane Interne ne seralentquune etape post-dedstonnefle due a I'action deleteredescaspases sur la mitochondrle. - La protelne Bax agirait direetement sur les Iipldes (destabilisatlon de la blcouche par diminution de la tension llnealre de la membrane externe) de manlere a Induire la formation d'un pore IIpldiqueassez large pour autoriser la sortie du cytochromec (6).

Apoptose et mitochondries - Les protelnes Bax ou Bak pourralent s'assoder avec Ie VDAC pour former un canal hybrlde196). - Au seln de la membrane externe, la protelne Bax ollgomense avec ellememeou avec un membre de safamille (parexemple Bid) et forme un canal permettant la sortie de protetnes lnter-membranalres 11].

5. La boite de Pandore La permeablllsatlon des membranes mitochondrlales provoque la relocalisation extra-mltochondrlale de protelnes normalement conflnees dansI'espace Inter-membranalre, res SIMPs (soluble intermembrane mitochondrial proteins) 178]. Certains SIMPs, les SIMPs-on, sont des dedencheurs de la phase de degradation de I'apoptose. Les SIMPs-on peuvent etre despro-caspases (par exemple les pro-caspase-2 et -9 151, 108)), ou des actlvateurs de caspases : c'est Ie cas du cytochrome c 146, 65, 132] qui forme un complexe cytosollque avec I'adaptateur Apaf-l (apoptoticproteaseaetivatingjador 1), la pro-caspase 9 et du desoxy-ATP (complexe appete apoptosome) 1137]. D'autres SIMPs-Dn aglssent en reprlrnant des Inhibiteurs de caspases : c'est Ie cas de Dlablo/ Smac 116,26,99,122].trautres encore comme I'AIF (apoptosis-indudngjadon [24, 102, 103] atteignent Ie noyau et declenchent la destruction de la chromatine en fragments de haut polds moleculalre (50 kbp). L'activation postmitochondrlale des caspases estnecessalre pour I'acqulsltlon du morphotype apoptotlque mats dispensable pour la mort cellulaIre. Alnsl, la cytothanatose caspase-lndependante s'observe dansdes conditions de depletion severe en ATP (apoptosome Incomplet) ou apres Inhibition pharmacologique des caspases 128, 58]. La cellule meurt alors enadoptant un phenotype • necrotlque ".En effet, lorsque les caspases sont absentes ou lnoperantes, I'AIF et des hydrolases cataboliques non caspaslques relarguees par la mltochondrle (arginase, An, sulfite oxydase, epoxlde hydrolase, etc.), ainsl que deseffets bloenergettques (parexemple Ie decouplage de la chaine respiratolre) et metabollques, consecutifs a la PMM, vont Inevltablement conduire la cellule a la mort 155, 125).

6. Controle mitochondrial de l'apoptose et pathologies L'apoptose et lesformesde mort cellulalre contretee apparentees sont Impllquees dans une plethore de maladies. Des· dys-cytothanatoses " (se tradulsantpar un exces ou une Insuffisance d'au molns run desprocessus de mort cellulaire) sont Impllquees dans lesmaladies auto-Immunes et neurodegeneratlves, lescancers, nscnemie. ou encore dans desInfections vlrales et bacterlennes. Nous ne mentlonnerons Id que quelques exemples lIIustrant l'lmpll-

Apoptose en pathologie humaine cation quasl-ubiquitaire des mitochondrles dans les pathologies assodees a un contrOle anormal de la mort cellulaire. Dans differentsrnodeles dtscnemte(cceur, tole. rein, ou cerveau), l'utlllsation de molecules capables de stabiliser les membranes mitochondrlales, comme par exemple la cyclosporine A (CsA) (ou son analogue non-Immunosuppresseur N-Me-Val-4-CsA), a permls de redulre I'apoptose massive et ses consequences algues al'echelle de I'organe[49, 57,64,91 I. De pius, Ie VDAC est indispensable a la destruction de neurones de I'hlppocampe de rat apres hypoxie-reperfusion [791. Dans Ie champ des maladies neurodegeneratlves, un grand nombre d'observations suggerent des liens etrotts avec Ie contr61e mitochondrial de I'apoptose [2, 111I. On peut mentionner la neurotoxine Nmethyl-a-phenylpyrtdtnlurn qui Indult la transition de permeablllte mltochondrlale et la sortie du cytochrome c [141. Ou encore I'Intoxicatlon par tadde nltro-proplonlque, une toxlne mitochondrlale, qui provoque chez lesprimates et les rongeurs une maladie du type Huntington [50, 771. Des travaux recenis ont revele I'existence de nombreux Inhibiteurs viraux de I'apoptosequi agissent sur lesmitochondries13, 11, 12, 25, 76, 871. Des analogues de BcI-2 sont prodults par divers virus: I'El B19Kpar l'adenovirus, Ie 5-HUA179L par Ie virus africain de la flevre porcine, I'HVS-Bcl-2 par virusde rherpes du saimirl, Ie Ks-Bcl-2 par I'HHV8 (human herpesvirusE!J, et Mll par Ievirusde rherpesmurln gamma HV68. Levirusd'Ebstein-Barr codernerne deux homologuesstructuraux et fonctionnelsde Bcl-2 : BHRFl et BALF1. Une protelne du cytomegalovirus vMIA bloque I'apoptose via une interaction directeavecrANT. t'antlgene T du SV40 (Sindbisvirus 4lJj Inhibe l'apoptoseen neutralisantp193, une protetne pro-apototiquemembre de la famille BcI-2. Les virus codent aussi pour desInducteurs d'apoptosecapables d'agtr sur les mitochondrles. Alnsi la protelne PB2 du virus B de la grippe fut Ie premier exemple deerit d'une protelne virale capable d'lnteraglr (via sa region N-terminale) avec les mitochondries [1281. Cest une observation partlcutlerement Interessante car Ie virus de la grippe de type B est Ie principal agent etlologlque du syndrome de Reye, une mitochondriopathie assodee a une mort eellulaire massive. Cependant, Ie mecanisme molecuialre precis par lequel la protelne PB2 agit reste a determiner. Plus recemment, II a ete montre que la protelne p13(1I) de I'HTIV-l (human r1eukaemia virus) adopte une localisation mitochondrlale, Induit une chute du .1'Jlm et un gonflement de la matrice mltochondriale [51. La protetne X du virus de l'hepatlte 8 (HBV-X) est aussl un Inducteur d'apoptose [1101. HBV-X colocalise (a la mitochondrie) avecune Isoforme de VDAC (HVDAC3) et altereIe .1'Jlm [83, 1101. Les effets apoptogenes de I'HVDAC3 sont bloques par ta protelne Bcl-2. II apparait donc que I'HVDAC3 pourralt aglr comme la protelne Bax. La protelne Vpr du VIH peut atteindre la mitochondrie et aglr direetement sur Ie PTPC [361. L'lnteraction Vpr/PTPC declenche une chute du .1'Jlm, la relocalisatlon extra-mitochodriale de I'AIF et du cytochrome c, et, In fine, la phase de degradation de I'apoptose. Le domaine mltochondrlo-toxlque de Vpr est ldentlfle (aa 71-82)et II est responsable d'une Interaction de forte afflnlte (nanomolaire) avec rANT [361. II est Intrlgant de constaterque diverses protelnesvirales (Vpr, vMIA, HBV-X, analoguesvlraux de Bcl-2) ont pour dble Iememe complexemolecutalre, Ie PTpc. t'oncoprotelne Bd-2 et les autres membres antl-apoptotlques de sa famille contribuent a I'expansion des cellules neoplaslques en bloquant leur

Apoptose et mitochondries mort physlologlque. t'oncogene bcl-2fut Initlalement tsote en tant que protooncogene (4, 11S-117). Bien que son pouvolr transformant soit faible, bd-2 coopere efficacement avec d'autres oncogenes tels que c-myc et ptm-t, pour promouvoir la turnorlgenese (72, 1001. Un grand nombre de cancers humalns sont assoctes a une sur-expression de Bcl-2(86). A nnverse. les membresproapoptotiques de la famille BcI-2, sont des suppresseurs de tumeurs (84, 133). Certains composants du PTPC sont aussl modifiesdans lescellules tumorales. Par exemple I'ANT-2 est souvent sur-exprlme dans les cancers humains et, contralrement a I'ANT-l, son hyper-expresslon par transfection n'lndult pas I'apoptose (7, 61, 101). Les chlmlotheraptes et radiotherapies antlcancereuses Indulsent rapoptose descellules tumorales (43). Un probleme recurrentavec lescnlmlotnerapiesconventionnelles estque tes agents utilises exploitent desvoles de signaIisatlon qui peuvent etre alterees et/ou moperantes. Ainsl, des molecules telles que l'etoposlde, la doxorubldne, Ie dsplatine ou Ie paclitaxel (Taxol) dedenchent I'apoptose en lndulsant I'expresslon de pS3, en initlant la vole des ceramldes/G03, en stimulant Ie systerne C09S/C09SL (C095 ligand), en modifiant I'actlon des protelnesde la famille de Bcl-2 (antl-apoptotlques), ou encoreen compromettant l'equllibre energetlque et lesfonctions redox de la cellule neoptaslque. Ces agents exercent done leur pouvolr cytotoxlque en provoquant de manlere indirecte la perrneablllsatlon des membranes rnltochondrlales (21). De plus, un certainnombre de drogues experlmentales anticancereuses tuent les cellules en agissant directement sur les membranes mitochondriales. Cest Ie cas de I'aclde betulinlque (32), la lonldamlne (85), du derive de I'adde reunotque CD437 (70), de molecules photo-actlvables telles que I'hyperlcineet de certains derives desporphyrines(21) ou encoredu peptide synthetlqueKLAKLAKKLAKLAK [301. Ce dernier exempleestun prototype d'une vaste famille de peptldes pro-apoptotlques qui sont peu toxlques a l'exterleurdescellules mais qui agissent au niveau Intracellulaire directement sur les mitochondrles (21, 30, 36). L'utilisationd'agents pro-apoptotlques spedflques des mitochondrles apparait done comme un concept emergent en chimlotherapte antlcancereuse 121, 126, 1271·

,

7. Epilogue De multiples signaux moleculaires convergent vers les mltochondrles. Des structures assodees aux membranes mitochondriales (Ie PTPC, la famille Bel2, etc.) lntegrent lesdifferentsmessages (demort ou de survle) et deddent de ta mise en jeu (irreversible) de [a phase de degradation. Dans ce contexte, la connalssance des rneranlsrnes molennalres precis de la phase mnocnondrlale (decision) de I'apoptose et, par auteurs, l'eluddatlon de la composition et du fonctlonnement dynamique du PTPC constituent un enjeu majeur pour la biologie et la mededne de demain. Remerclements.Les auteurs remercient Ie DrC. Brenner, pour la relecture critique du manuscrit, ainsi que ta Ugue natlonale contre Ie cancer, Ensemble

Apoptose en pathologie humaine

contreIe slda, I'InstitutGustave-Roussy, I'Agence natlonalede recherches sur Ie slda, la Fondatlon pour la recherche medicaIe, et Ie Centre national de la recherche sdentiflque.

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