Apoptose et maladies neurodégénératives

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H A R M A C O L O G I E
Apoptose et maladies neurodégénératives
! M. Pelletier*, F. M. Vallette*
RÉSUMÉ. L’apoptose est un processus de mort cellulaire physiologique dont la dérégulation semble être impliquée dans de nombreuses pathologies, notamment dans les maladies neurodégénératives (MND). La transduction du message apoptotique est complexe et requiert plusieurs
molécules à des niveaux divers de la cellule. Dans les MND, l'apoptose semble être l’aboutissement de dérèglements spécifiques à chacune de
ces maladies. Dans le cas de la maladie d’Alzheimer, le peptide β-A1-42 ou les protéines préséniline-1 et -2 sont des acteurs potentiellement
importants de l’apoptose. Dans le syndrome de Parkinson, ce sont plutôt le stress oxydatif et l'exocytotoxicité et, pour l’Huntington,
une mutation sur le premier gène de la protéine huntingtine qui sont impliqués. Dans cette revue, nous traiterons des différents acteurs de
l’apoptose et de leur implication dans ces différentes maladies.
Mots-clés : Apoptose - Alzheimer - Parkinson - Huntington - Ischémie cérébrale.
est un processus indispensable à l’homéo’ apoptose
stasie tissulaire des métazoaires. Elle intervient dans la
L
suppression de cellules en surplus, endommagées ou
âgées, dans les tissus sains tout comme lors de la maturation des
organes, au cours de l’embryogenèse, notamment lors de la neurogenèse et de la fabrication de la mémoire immunitaire (1).
Au cours du développement du système nerveux, l’apoptose
s’observe dès la formation du tube neural et persiste jusqu’à
la différenciation du réseau neuronal final. Plus de 50 %
des neurones seraient perdus par ce processus, au cours du
développement.
Lors du vieillissement d’un individu, il arrive parfois que l’on
observe des dérégulations de l’apoptose au niveau du système
nerveux central (SNC), comme lors des maladies neurodégénératives (MND), où elle intervient de façon excessive. C’est
cet aspect de l’apoptose que nous allons traiter dans cette brève
revue.
APOPTOSE ET NÉCROSE :
LES DEUX FACES D’UNE MÊME MÉDAILLE ?
L’apoptose et la nécrose sont deux modes de mort cellulaire classiquement décrits au cours de la perte neuronale pathologique
(i.e. ischémie...). Malgré les différences que l’on peut observer
entre ces deux processus, il semble de plus en plus probable
qu’ils empruntent des voies moléculaires communes (2). L’apoptose est un processus de mort cellulaire, provoquée dans des
conditions physiologiques. Elle implique, en fin de processus,
une phagocytose par des macrophages ou par d’autres cellules
adjacentes, sans pour autant provoquer une réponse inflammatoire. Les changements morphologiques et biochimiques des
cellules apoptotiques se caractérisent par un rétrécissement cellulaire, un bourgeonnement de la membrane, une condensation
de la chromatine, une fragmentation “en échelle” inter- et intra-
* Unité INSERM 419, 44035 Nantes Cedex 01.
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nucléosomale de l’ADN, ainsi que par la formation de petites
vésicules nommées corps apoptotiques. Lors d’une mort non
physiologique causée par des substances toxiques ou d’autres
traumatismes, on observe plutôt la nécrose, et cela généralement
dans un groupe de cellules. L’altération des membranes cellulaires, l’absence d’utilisation d’ATP, la perte de l’homéostasie
ionique et, enfin, le gonflement et la lyse cellulaires sont des
caractéristiques de la mort nécrotique. Malgré l’ancienneté du
processus, il n’existe pas de détails moléculaires sur le processus nécrotique, alors que l’apoptose a fait l’objet d’une intense
recherche depuis sa découverte en 1972 (3).
APOPTOSE : VOIES SIGNALÉTIQUES
ET CASCADES DESTRUCTRICES
L’induction du signal apoptotique
Plusieurs causes peuvent initier le processus apoptotique. L’une
des premières voies mises en évidence lors de l’étude du système immunitaire est l’activation par différents récepteurs de
surface membranaire de la superfamille des gènes appartenant
au Tumor Necrosis Factor, tels que Fas/APO-1/CD95R ou
TNFR (figure 1). À cette famille de récepteurs correspond une
famille de ligands (fasL, TNF...) qui activent, après fixation sur
leurs récepteurs homologues, un processus apoptotique. Dans
le cas du récepteur Fas, par exemple, l’association du ligand
induit une trimérisation du récepteur permettant ainsi le recrutement des protéines cytoplasmiques FADD (Fas Associated
Death Domain), qui se lient aux domaines intracellulaires ou
domaines de mort du récepteur. FADD s’associe ensuite à une
proenzyme appelée procaspase-8, permettant ainsi son oligomérisation et, par le fait même, son autoactivation (4). Les caspases sont les protéases impliquées dans le processus apoptotique ; elles sont classiquement divisées en caspases initiatrices,
dont le rôle essentiel est d’activer des procaspases exécutrices
(figure 2), responsables en majeure partie de la dégradation
cellulaire observée au cours de l’apoptose. La caspase-8
correspond à une des quatre caspases initiatrices identifiées à
l’heure actuelle (caspases-8, -9, -10 et -12) (5). D’autres types
de récepteurs, comme les récepteurs à dépendance (p75NTR,
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Stress extracellulaires
(privation de sérum, flux calcique
infection virale, irradiation, etc.)
Stimulus (FasL)
Caspases
initiatrices
Récepteur de mort
(Fas)
Caspases
Stimulus apoptotiques
intrinsèques
p53
?
Substrats
Caspase-8 IETD
Caspase-9 LEHD
Caspase-10
?
Caspase-12
?
?
Bax
Caspases
Substrats
Caspase-1 YVAD
Caspase-4 (W/L) EHD
Caspase-5 (W/L) EHD
Caspase-13
?
FADD
Bid
Caspases
inflammatoires
Bci-2
caspase-8
(caspase
initiatrice)
?
caspase-9 activée
(caspase initiatrice)
Caspases exécutrices
(caspase-3)
Caspases
exécutrices
?
?
Ca2+
Procaspase-9
Apoptosome
Calpaïnes
Clivage de DFF-45, lamine
ATP
Caspases
Substrats
Caspase-2
Caspase-3
Caspase-6
Caspase-7
DEVD
DEVD
VEID
DEVD
APOPTOSE
Figure 1. Représentation schématique des différentes voies de signalisation
apoptotiques.
Différents types de stress extracellulaire peuvent provoquer des stimulus apoptotiques intrinsèques. Ces derniers transitent par des effecteurs comme Bax, via p53,
qui induisent l’éjection du cytochrome c de la mitochondrie. Il y a ensuite formation
d’un apoptosome, puis l’activation des caspases exécutrices et la destruction cellulaire. Il existe en plus des voies alternes, comme celles passant par Bid ou encore
par le calcium libre et les calpaïnes. L’activation des différents récepteurs provoque
une autoactivation des caspases-8, qui activent à leur tour des caspases exécutrices.
DCC, RET…) peuvent induire l’apoptose. Leur mode d’action
n’est pas encore très bien connu, mais il semblerait qu’ils
activent les caspases d’un façon différente des récepteurs de la
famille TNF et de l’apoptosome (6).
L’apoptose peut également être induite par des inhibiteurs de
protéines kinases ou phosphatases, par un stress oxydatif (ROS,
NO), par une irradiation ou d’autres causes pouvant affecter
l’ADN et, ainsi, impliquer la p53, ou encore par un changement dans l’homéostasie calcique, en provenance d’organites
(mitochondries, réticulum endoplasmique [RE]) et/ou de l’espace extracellulaire (après exposition à certains neurotransmetteurs). Dans tous ces cas, la mitochondrie joue le rôle d’organite central dans l’apoptose conduisant à l’activation d’une
autre caspase initiatrice, la caspase-9 (figure 1). De plus, il faut
noter que certaines voies d’induction impliquant des flux calciques au niveau du RE mettraient en jeu la caspase-12 (7).
La mitochondrie
La mitochondrie a un rôle central dans la transduction du message apoptotique : dans la majorité des cas, elle constitue un
passage obligé, mais parfois, seulement un lieu de potentialisation de l’apoptose (figure 1). Au cours de ce type de mort
160
Figure 2. Représentation schématique des trois grands
groupes de caspases.
Les caspases initiatrices les plus connues sont les caspases8 et -9. Elles sont spécifiques par la séquence de leur
substrat. Les caspases inflammatoires sont moins importantes dans l’apoptose que dans les réactions inflammatoires. Le troisième groupe, les caspases exécutrices, est
responsable de l’amplification de la cascade apoptotique
et de la destruction de la cellule.
cellulaire, on observe une perturbation dans la chaîne de transport d’électrons, dans la phosphorylation oxydative et aussi
dans la production d’ATP. Certaines molécules activatrices des
protéases de la famille des caspases, comme le cytochrome c,
les protéines Smac/Diablo et même certaines procaspases (caspases-2, 3 et 9), ou indépendantes des caspases, l’AIF (Apoptosis-Inducing Factor), sont libérées de la mitochondrie après
l’induction d’apoptose et amplifient la transduction du signal
de mort. La quantité de cytochrome c contenue dans la cellule
pourrait déterminer s’il y a apoptose ou nécrose ; avec assez de
cytochrome c pour maintenir le transport d’électrons, la
consommation d’oxygène et la production d’ATP à un niveau
assez élevé, la cascade apoptotique peut avoir lieu. En revanche,
s’il existe une chute trop importante de la production énergétique, un processus de type nécrotique sera favorisé (2).
Lors de l’apoptose, on remarque souvent un effondrement du
potentiel de membrane mitochondrial (∆Ψm), où serait impliqué le pore mitochondrial de transition de perméabilité (PTP).
Il se composerait d’un ensemble de protéines réparties dans les
deux membranes de la mitochondrie. On retrouve dans la membrane externe le VDAC (Voltage-Dependent Anion Channel)
ainsi que le PBR (Peripheral Benzodiazepin Receptor) et, dans
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la membrane interne, l’ANT (Adenine Nucleotide Translocator) (8). Cependant, seules des molécules ≤ 1,5 kD peuvent
passer par ce canal. Le cytochrome c (14 kD) et l’AIF (57 kD)
ne pouvant pas transiter par ce canal, deux hypothèses peuvent
être émises concernant leur éjection de la mitochondrie. La première considère que le cytochrome c passerait par un canal
ouvert, la membrane externe restant donc intacte. La deuxième
hypothèse impliquerait le gonflement de la matrice et donc, la
rupture transitoire de la membrane externe (3).
Les oncoprotéines de la famille Bcl-2
Il existe une famille de gènes codant pour des protéines impliquées dans la régulation de l’apoptose, de par la formation
d’homo- et d’hétérodimères, qui agiraient sur la mitochondrie.
Ces protéines constituent un premier moyen de contrôle de
l’apoptose. Leur famille, d’une vingtaine de membres, se divise
en deux grandes classes : les protéines antiapoptotiques comme
Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1, CED-9, etc., et celles proapoptotiques,
telles que Bax, Bak, Bid, Bad, Bcl-XS, etc. (figure 3). C’est
l’équilibre entre les protéines antiapoptotiques et les protéines
proapoptotiques qui pourrait déterminer le sort de la cellule.
Toutes les protéines de cette famille possèdent des motifs
consensus qui sont, en fait, des domaines d’homologie de Bcl2, BH1 à BH4 (Bcl-2 homology domain). Une très grande
majorité des protéines favorisant la survie cellulaire compor-
α1
α2
BH4 ***BH3
a
b
c
α3 α4
α5
α6
BH1
α7
BH2
d
Bcl-2
Bcl-XL
Bax
Bak
Bad
Bax
Bcl-Xs
Bik
Bim
Bid
a : docking ; b : phosphorylation ; c : ligand ; d : pore.
Figure 3. Protéines de la famille Bcl-2.
Les protéines Bcl-2, Bcl-XL et Mcl-1 sont antiapoptotiques. Elles
comportent les domaines d’homologie BH1 à BH3 dans la majorité
des cas, ainsi qu’une extrémité C-terminale transmembranaire (TM).
Les protéines proapoptotiques se divisent en deux sous-classes : Bax,
Bak et Bad possèdent les domaines d’homologie BH1 à BH3. En
revanche, Bid, Bim et Bik font partie de la sous-classe BH3 et ne comportent que ce domaine d’homologie.
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tent les domaines BH1 et BH2. En revanche, parmi les protéines incitant à la mort cellulaire, on trouve deux types de protéines. La sous-classe Bax comprend des éléments comme Bax,
Bak et Bok, qui comportent les domaines BH1, BH2 et BH3.
Une dernière sous-classe est composée de protéines comme
Bik, Bad, Bid, qui ne contiennent que le domaine BH3 (9).
Bcl-2 est exclusivement une protéine membranaire ; elle se fixe
sur la face cytoplasmique de la membrane externe mitochondriale (en majorité), du réticulum endoplasmique (RE) et du
noyau, grâce à son domaine d’ancrage situé à l’extrémité
C-terminale, caractéristique de la majorité des protéines antiapoptotiques. Cette protéine peut inhiber la libération du
cytochrome c (10) et contrôler également les flux calciques.
Bcl-XL se répartit différemment dans la cellule : une portion
significative est présente dans le cytosol, mais on en retrouve
également sur les membranes. Sa structure ressemble au
domaine d’insertion membranaire de toxines bactériennes, en
particulier les hélices α5 et α6, situées à cheval sur les domaines
BH1 et BH2. Les protéines possédant ces deux domaines
seraient susceptibles de former des pores dans les membranes.
Bax est une protéine cytosolique, mais elle devient membranaire suite à un signal apoptotique. Contrairement à Bcl-2,
l’extrémité C-terminale de Bax ne semble pas être un signal
d’adressage ou d’ancrage (11). Dans le cas de Bid, il s’agit
d’une protéine cytosolique lorsqu’elle est non clivée, en conditions non apoptotiques. Après une activation de type Fas/FasL,
Bid est clivée directement par la caspase-8. Cette forme tronquée (tBid) se translocalise et semble se fixer solidement sur
la mitochondrie.
L’apoptosome
La présence du cytochrome c dans le cytosol revêt une grande
importance dans la suite des événements conduisant à la mort
cellulaire programmée (figure 1). Il participe à l’élaboration de
l’apoptosome (l’association transitoire de molécules) en un agrégat, résultant en l’activation de protéases exécutrices de l’apoptose. À nouveau, plusieurs hypothèses sur sa composition ont
été émises. D’après l’équipe de Dixit, sous forme inactive, il se
composerait d’une protéine antiapoptotique de la famille
Bcl-2, Bcl-XL, liée à son extrémité C-terminale à la mitochondrie et, en N-terminale, à une molécule activatrice, l’Apaf-1. La
procaspase-9 se lierait sur l’extrémité N-terminale d’Apaf-1 pour
former un complexe ternaire (12). Lors de l’activation de molécules proapoptotiques, comme Bax ou Bak, le détachement de
Bcl-XL de l’apoptosome semble favoriser la libération du cytochrome c de l’espace intermembranaire de la mitochondrie vers
le cytosol. S’ensuit la mobilisation du cytochrome c sur l’apoptosome. Ainsi, l’apoptosome actif est constitué d’un regroupement d’au moins quatre molécules : l’Apaf-1, l’ATP ou le dATP,
le cytochrome c et la procaspase-9.
Une deuxième hypothèse avance que l’Apaf-1 hydrolyserait
tout d’abord l’ATP et favoriserait son oligomérisation avec le
cytochrome c en un complexe multimérique. La caspase-9 serait
ensuite recrutée sur cet amas dans un ratio de un pour un avec
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l’Apaf-1 (13). Une fois recrutée sur l’Apaf-1, la caspase-9 est
activée et transduit la cascade apoptotique. Contrairement aux
caspases exécutrices, elle n’aurait aucun besoin de se cliver en
plusieurs parties pour être effective.
Les caspases exécutrices
L’activation des caspases initiatrices (caspases-8 et -9) permet
l’initiation de la cascade de destruction cellulaire. Les acteurs
principaux de cette phase sont les caspases exécutrices. Elles
sont formées de trois sous-unités, mais sont présentes dans le
cytosol des cellules non apoptotiques sous forme de zymogènes
(figure 4). La plus grande sous-unité contient le site actif de la
caspase, QACXG, et la petite sert à la réorganisation de la caspase en une enzyme active. Il existe également un prodomaine,
souvent plus court chez les caspases exécutrices que chez les
initiatrices, éliminé lors de l’activation. Lorsqu’il y a induction
d’apoptose, la grande et la petite sous-unité se réorganisent en
hétérotétramères. Dans le cas de la caspase-3, il a été
montré que ces deux clivages étaient successifs. Le premier se
ferait à un site spécifique pour les caspases-8, IETD, soit entre
la petite et la grande sous-unité. L’élimination du prodomaine
viendrait en deuxième lieu, au site ESMD, spécifique pour les
caspases-3, ce qui indiquerait un autoclivage (14).
Quatorze caspases ont été identifiées à l’heure actuelle. On les
divise en trois groupes : quelques-unes d’entre elles sont impliquées dans les réactions inflammatoires (1, 4, 5, 13), les autres,
dans la transduction de l’apoptose (figure 2). Les caspases-8,
-9, -10 et -12 (initiatrices) se situent en amont des caspases-2,
-3, -6 et -7 (exécutrices), mais souvent, on les classe par spécificité pour leurs substrats (tableau I [seules les caspases les plus
connues sont représentées dans ce tableau]) (4).
Il existe, au niveau de cette phase d’exécution, un autre moyen
de contrôle de l’apoptose que celui de la famille de protéines
Bcl-2. En fait, il s’agit d’une autre famille de protéines inhibitrices de caspases, les IAP (Inhibitor of Apoptosis Protein) (15).
Elles possèdent un domaine répété et hautement conservé, d’environ 70 acides aminés : BIR (Baculoviral Inhibitory Repeat).
Six membres des IAP humaines ont été identifiés, soit NAIP,
c-IAP1/HIAP-2, c-IAP2/HIAP-1, XIAP/hILP, Survivin et
BRUCE. Elles n’agissent que sur les caspases-3 et -9. La liaison et l’inhibition des caspases-3 et -7 par XIAP, c-IAP1,
c-IAP2 et Survivin nécessitent leur transformation en une forme
active. Dans le cas de la caspase-9, puisqu’elle ne nécessite pas
de clivage pour être active (16), les IAP fixent aussi bien la proforme que celle activée.
Les caspases exécutrices possèdent plusieurs substrats, comme
d’autres caspases, mais également des composants cellulaires
tels que la lamine, certaines DNAses, SREBP, PARP, etc.
Procaspase-3
32 kD
Site actif
QACXG
ESMD28
N-terminal
IETD175 S
p3
p17
p12
ProGrande
domaine sousunité
p3
Petite
sousunité
p20
p17
+
C-terminal
(277 a.a.)
p12
p17
p12
p12
p17
Figure 4. Mode d’activation de la procaspase-3.
Le zymogène de 32 kD est clivé entre la petite (p12) et la grande (p17)
sous-unité, au site IETD. La caspase-3 s’autoactive ensuite en se clivant au site ESMD, pour éliminer le prodomaine de la grande sousunité. Sa forme active finale est un hétérotétramère contenant deux
sites actifs QACXG dans chacune des p17 et deux p12 régulatrices.
162
Les calpaïnes dans l’apoptose
Les voies classiques de l’apoptose impliquent pratiquement
toujours les caspases. Cependant, il existe des voies comprenant également des calpaïnes. Ce sont des protéases de la
famille des cystéinyl/thiol activées par le calcium, qui comportent six isoformes tissus-spécifiques (n-calpaïnes) et deux
isoformes ubiquistes (µ-calpaïne et m-calpaïne). La µ-calpaïne
(ou calpaïne I, ou encore CANP-I) possède une affinité relativement élevée pour le calcium et se situe d’une façon prédominante dans les neurones, plus précisément dans les dendrites et les corps cellulaires. La m-calpaïne (ou calpaïne II,
ou encore CANP-II) lie le calcium avec une affinité plutôt
faible et se situe, pour sa part, dans les axones et les cellules
gliales.
La proenzyme de la calpaïne est constituée en hétérodimères :
une sous-unité catalytique de 80 kD, spécifique à chaque isomère, et une sous-unité régulatrice de 30 kD commune à tous
les isomères. Le site catalytique contient des résidus cystéine
et histidine. Leur activation se fait à la suite d’une augmentation de calcium libre intracellulaire et leur inhibition par une
protéine inhibitrice (la calpastatine) ou par une diminution du
niveau de calcium. Une fois activées, la sous-unité de 80 kD
est clivée en 78 kD puis 76 kD, et celle de 30 kD, en 18 kD.
Malgré le fait que leur mode d’activation soit en partie connu
et qu’elles intègrent la famille des protéases à cystéine active,
tout comme les caspases, il n’est pas évident de savoir si ces
dernières travaillent de concert ou indépendamment au cours
de l’apoptose.
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Tableau I. Spécificité des sites de clivage interne des caspases les plus connues ainsi que ceux correspondant à leurs substrats.
Caspases
Autres noms
X du site actif
(QACXG)
Site de clivage
entre la grande
et la petite sous-unité
Motifs de clivage
de différents
substrats
Substrats
correspondants
YVHD-A
Pro-IL-1ß
DEVD-(G/N) ;
DGPD-G ;
DMQD-N ;
DELD-S ;
DEPD-S ;
DEAD-G
DXXD
PARP/DNA-PK
U1-70 kD
Protéine kinase C
D4-GDP DI
SREBP-1 et 2
Rb
Huntingtine
Caspase-1
ICE
R
WFKD-S ; FEDD-A
Caspase-2
Nedd2, ICH-1
R
DQQD-G ; EESD-A
Caspase-3
CPP32, Yama,
apopaïne
R
IETD-S
Caspase-4
ICErel II, TX, ICH-2
R
WRVD-S ; LEED-A
Caspase-5
ICErel III, TY
R
WRVD-S ; LEAD-S
Caspase-6
Mch2
R
DVVD-N ; TEVD-A
VEID-N
Lamine A
Caspase-7
Mch3, ICE-LAP3,
CMH-1
R
IQAD-S
DEVD-G ;
DEPD-S
PARP
SREBP-1 et 2
Caspase-8
MACH, FLICE,
Mch5
Q
VETD-S ; LEMD-L
(I/L) ETD- ?
Caspase-9
ICE-LAP6, Mch6
G
DQLD-A
LEHD- ?
Caspase-10
Mch4
Q
SQTD-V ; IEAD-A
APOPTOSE ET MALADIES NEURODÉGÉNÉRATIVES
Maladie d’Alzheimer
La maladie d’Alzheimer (MA) touche 50 à 60 % des personnes
atteintes de maladies neurodégénératives. Il existe des formes
héréditaires (génétiques) et sporadiques de cette maladie. Elle
se caractérise par une perte progressive de la mémoire à court
terme puis à long terme, par une diminution des capacités intellectuelles et, parfois, par des troubles moteurs. Les régions du
cerveau les plus touchées sont le cortex rhinal et l’hippocampe,
impliqués dans les processus de mémorisation, au sein desquels
les neurones cholinergiques sont particulièrement sensibles à
l’apoptose. Les caractéristiques majeures retrouvées dans ces
zones de mort sont un dépôt important de peptides
β-amyloïde (βA), composant des plaques séniles, ainsi qu’une
dégénérescence neurofibrillaire. Dans les formes héréditaires
de la MA, on retrouve une mutation de cette protéine sur le
chromosome 21 (mutation de type Swedish) (17).
Plusieurs protéines ont été identifiées comme faisant partie du
mécanisme de mort, mais on ne connaît pas encore complètement leur rôle. Un des composants principaux des plaques
séniles, le βA, résulte du clivage de l’APP (Amyloid Precursor
Protein). La majorité de l’APP est clivée par l’α-sécrétase, ce
qui génère un grand fragment se libérant de la membrane.
L’APP peut également être clivée sur deux autres sites, β et γ,
à l’intérieur d’un domaine intramembranaire. Le βA1-40 ainsi
formé et sécrété dans l’espace extracellulaire est présent dans
le cerveau dans des conditions normales. En revanche, le βA1-42
tend à polymériser en fibrilles et se retrouve en grande quantité dans la MA. Au cours de l’apoptose, l’APP peut être clivée
par la caspase-3 à trois endroits possibles : deux sur le domaine
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extracellulaire et un (VEVD) dans la queue intracellulaire.
Après un clivage au site VEVD, l’APP obtenue semble plus
sensible à la production de βA. De plus, lors de l’induction de
l’apoptose, par ajout de peptides βA1-42 au sein de cultures neuronales primaires, on constate une diminution de la protéine
antiapoptotique Bcl-2, ainsi qu’une augmentation de la
protéine proapoptotique Bax (18).
Le βA est également impliqué dans d’autres phénomènes
conduisant à la mort neuronale, comme une augmentation
substantielle de calcium dans le cytosol. La caspase-3 et la
calpaïne étant toutes deux activées par le calcium, et l’APP
étant elle-même un substrat de ces protéases, on peut en déduire
que le calcium est éventuellement un amplificateur de la voie
apoptotique.
Les présénilines 1 et 2 sont également impliquées dans les
formes sporadiques et génétiques de cette maladie. Dans cette
dernière forme, on retrouve une mutation de la préséniline-1
(PS1) sur le chromosome 14 et de la préséniline-2 (PS2) sur le
chromosome 1. Ordinairement, les protéines PS1 et PS2, de 5254 kD, sont localisées dans les membranes du noyau, du RE,
de l’appareil de Golgi et très peu dans les membranes plasmiques des neurones, puis elles sont clivées en protéines
matures de 25-28 kD et 16-19 kD. Cependant, au cours de
l’apoptose, la caspase-3 reconnaît d’autres sites qui lui sont spécifiques et donne lieu, pour la PS2, à des protéines de 34 kD en
N-terminale et de 20 kD en C-terminale. Ces nouveaux peptides sont retrouvés en très grand nombre dans les formes familiales de la MA (FMA). De plus, on constate que la quantité de
peptide βA1-42 est augmentée dans la FMA, grâce aux PS
mutées (19).
163
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Des thérapies utilisant des inhibiteurs de caspases sont envisagées chez l’homme pour aider à réduire les dommages causés
au cerveau lors de la MA.
Maladie de Parkinson
La maladie de Parkinson (MP) se caractérise par la dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire pars
compacta couplée à des inclusions intracytoplasmiques nommées “corps de Lewy”. Cette mort cellulaire provoque une déficience en dopamine (DA) dans les régions innervées par ces
cellules, soit le putamen et le noyau caudé (dans le corps strié).
Quelques-uns des symptômes de cette maladie sont des tremblements, une lenteur des mouvements (bradykinésie) et une
rigidité du corps. Cette pathologie neurodégénérative est la
deuxième en importance après la MA.
Il existe plusieurs facteurs pouvant influencer le développement de la MP, comme des herbicides, des produits chimiques
industriels ou encore de la pâte à papier émanant d’usines,
mais aucune toxine spécifique n’a été retrouvée dans le cerveau de parkinsonien. Il faut cependant considérer que 5 à
10 % de ces patients ont une forme familiale, autosomique
dominante. Il a été observé qu’une drogue chimique appelée
1,2,3,6-méthyl-phényl-tétrahydropyridine (MPTP) provoquait
des syndromes semblables à ceux de la MP, aussi bien cliniques que pathologiques. C’est la conversion du MPTP en
ion pyridinium (MPP+), dans les astrocytes, qui le rend
toxique. Le MPP+ est d’ailleurs très employé dans l’étude de
l’apoptose au sein de la MP. Cette drogue agit en fait en inhibant le complexe I de la chaîne respiratoire de la mitochondrie. Il faut mentionner qu’une diminution d’activité de 30 à
40% de ce complexe a été observée chez les patients atteints
de MP (20). Des expériences réalisées sur différentes cellules
neuronales ou lignées cellulaires, soumises à des concentrations variées de MPP+, ont révélé que la mort cellulaire pouvait aussi bien être due à l’apoptose qu’à la nécrose. Cependant, la neurotoxicité de nature apoptotique conduit à une
activation de protéase de type caspase-3 qui, par conséquent,
pourrait être bloquée par différents inhibiteurs de caspases
(21). De plus, il a été montré que des souris déplétées en Bax
étaient plus résistantes à la neurotoxicité provoquée par le
MPTP que les souris témoins. Étant donné que Bax semble
jouer un rôle important dans ce processus de mort, il pourrait
éventuellement servir comme cible thérapeutique (22).
Un autre type de toxicité peut être envisagé dans la neurodégénérescence de la MP. Il implique, en fait, une trop forte
excitation (“exocytotoxicité”) des récepteurs à glutamate, nombreux sur les neurones dopaminergiques, ce qui a pour effet de
générer un influx de calcium dans la cellule, induisant donc la
mort cellulaire (20).
Pour déterminer si la mort cellulaire dans la MP était plutôt
apoptotique ou nécrotique, des analyses du clivage de l’ADN
ont été effectuées sur des cerveaux de parkinsoniens postmortem. Un profil de coupure en échelle de l’ADN, spécifique
à l’apoptose, a été obtenu. En outre, il a été observé que le
164
niveau d’expression de Bcl-2 est altéré dans les neurones survivants de cerveaux de personnes atteintes de la MP. Des études
encore plus récentes démontrent l’implication éventuelle du
calcium dans l’apoptose de cellules dopaminergiques. En effet,
les différentes zones de mort cellulaire massive dans des cerveaux de parkinsoniens ont été caractérisées à partir de marquages immunohistologiques avec des anticorps contre la
calbindine D28K. Cette dernière est une protéine soluble intracellulaire, constituant de la superfamille des protéines liant le
calcium avec une grande affinité. Il a été montré que ces différentes zones de mort n’avaient pratiquement pas de calbindine D28K, mais qu’elles contenaient de petites poches de cellules intactes qui, elles, en recèlent plus que la normale (23).
La calbindine D28K aurait-elle un rôle protecteur contre l’apoptose causée par le calcium ?
Maladie de Huntington
Une autre des maladies neurodégénératives encore peu connues
à l’heure actuelle est la maladie de Huntington (MH). Il s’agit
d’une pathologie héréditaire à caractère dominant, causée par
une mutation sur le petit bras du chromosome 4. Elle se caractérise par un changement progressif du comportement, des déficiences cognitives, un manque de coordination dans la motricité et des mouvements involontaires choréiques. Le site majeur
de cette pathologie est le corps strié (striatum), où 90 % des
neurones sont perdus.
La mutation observée dans la MH correspond au prolongement de la répétition des trinucléotides CAG sur l’exon 1 du
gène codant pour la protéine huntingtine. Les individus qui
ne sont pas atteints de la MH ne possèdent que 6 à 34 répétitions CAG, alors que les patients atteints de cette pathologie ont entre 36 et 120 répétitions. Cette élongation se traduit par une expansion de polyglutamine dans la région
N-terminale de la protéine. Les mutants de la huntingtine
s’agrègent par leur extrémité N-terminale modifiée et forment des inclusions nucléaires dans les neurones striés et corticaux. Le mécanisme à travers lequel les mutants de la huntingtine provoquent la neurotoxicité est encore inconnu.
Néanmoins, des hypothèses sur la participation des récepteurs au glutamate, de type NMDA (N-méthyl-D-aspartate),
induisant une exocytotoxicité, ont été émises (24).
Bien qu’on ne connaisse pas exactement les voies apoptotiques
impliquées dans la MH, les caractéristiques propres à l’apoptose ont été observées dans les cellules contenant la protéine
huntingtine, sauvage ou mutée. Des inhibiteurs de caspases ont
été testés sur ces mêmes cellules. Le Z-VAD-fmk, inhibiteur
irréversible de la majorité des caspases, semble augmenter la
survie, mais pas diminuer les inclusions nucléaires et cytoplasmiques. En revanche, le Z-DEVD-fmk, inhibiteur des caspases exécutrices -2, -3 et -7 (tableau I), n’augmente pas la survie des cellules, mais réduit les inclusions nucléaires et
cytoplasmiques (25). Saudou et al. ont également mis en évidence le fait que la perte sélective des neurones du corps strié
est de nature apoptotique (26). D’autre part, on a observé que
le modèle de souris transgéniques pour la MH, comprenant en
La Lettre du Pharmacologue - Volume 15 - n° 9 - novembre 2001
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outre une mutation dominante négative pour la caspase-1, augmentait considérablement leur survie et diminuait les inclusions
neuronales (27).
Ischémie cérébrale
Il est assez difficile de caractériser ainsi que de localiser la
mort des cellules dans l’ischémie. Leur vulnérabilité dépend
des récepteurs membranaires et des connexions intrinsèques
qu’elles possèdent. Dans l’hippocampe, ce sont les régions
CA1, CA2 puis CA3 qui sont les plus touchées (en ordre
décroissant), tandis que dans le cerveau entier, les parties les
plus vulnérables à l’ischémie sont les couches 2, 3 et 5 du
néocortex, le corps strié et la substance noire pars rediculata. La profondeur et la durée de l’ischémie déterminent la
rapidité et le type de mort neuronale. Si l’ischémie est transitoire ou moins sévère, des changements morphologiques
de type apoptotique sont observés. Dans la forme globale, la
mort neuronale paraît souvent en différé. Dans les cas d’ischémie focale, le traumatisme se localise dans une seule
région du cerveau. On observe, cependant, une zone centrale
où la mort cellulaire est dense, et autour de celle-ci, une “zone
de pénombre” où les cellules sont vivantes, mais fonctionnellement silencieuses. Leur sort dépend alors beaucoup de
la gravité de l’ischémie et des variations ultérieures du débit
sanguin.
Dans l’ischémie globale transitoire, l’activation de caspases
ou l’inhibition de la mort cellulaire par l’ajout d’inhibiteurs de
caspases ont pu être observées à maintes reprises. Des neurones CA1 de gerbille ont presque entièrement été protégés de
la mort à l’aide d’un inhibiteur de caspases, autre que la caspase-1. Une expérience semblable faite chez le rat a démontré 40 % de survie des neurones CA1 3 jours après l’ischémie,
et 20 % 7 jours après (28). De plus, l’équipe de J.C. Reed a
observé une libération de caspase-9 de la mitochondrie lors
d’une apoptose neuronale in vitro et de l’ischémie cérébrale.
D’autres changements biochimiques peuvent démontrer la présence de l’apoptose dans l’ischémie globale : les protéines
proapoptotiques Bax et Bcl-XS sont exprimées dans les cellules CA1, vulnérables à la mort. En plus de ces caractéristiques biochimiques, dans plusieurs cas d’ischémie, la coupure
en échelle de l’ADN a été observée. Lors d’une ischémie
focale, les neurones apoptotiques apparaissent de préférence
tôt après le choc ischémique et semblent prédominer sur la
nécrose dans les régions où l’agression est la moins sévère
(pénombre). Le ratio de cellules apoptotiques/nécrotiques dans
la zone de pénombre est de 9/1 en comparaison avec la zone
d’ischémie dense, où il est de 1/1 (28).
Toutes ces évidences nous amènent à reconnaître l’existence de
l’apoptose dans l’ischémie. Cependant, il est difficile de déterminer les cellules qui meurent de cette façon plutôt que par
nécrose ; peut-être parce que ces deux processus sont intimement liés ? Un des mécanismes importants de l’ischémie est l’arrivée massive de calcium de l’espace extracellulaire, par canaux
calciques voltage ou récepteurs (glutamate)-dépendants. Il n’y
a pas si longtemps, la “calcitotoxicité” était seulement considéLa Lettre du Pharmacologue - Volume 15 - n° 9 - novembre 2001
H A R M A C O L O G I E
rée comme inductrice de nécrose. Toutefois, depuis quelques
années, on considère qu’elle participe également à l’activation
de DNAses et de caspases au cours de l’apoptose. Ainsi, des
activités de type caspase-3 ont été observées dans des cytosols
de cellules additionnés de 0,5 mM de CaCl2 (29). Après une
ischémie globale, un traitement préventif avec des inhibiteurs
de caspases et/ou de calpaïnes démontre une inhibition de
l’apoptose dans les cellules CA1 de l’hippocampe. La synergie
des effets d’inhibiteurs de caspases et de calpaïnes dans la protection des neurones contre la mort dans l’ischémie suggère une
interaction entre ces deux protéases au cours de l’apoptose.
CONCLUSION
Dans toutes ces maladies neurodégénératives et dans bien
d’autres encore, les causes et les processus biochimiques de la
mort neuronale ne sont pas très bien connus. L’apoptose et la
nécrose sont probablement toutes deux impliquées dans ces différentes maladies, mais il est difficile de déterminer le rôle et
la place de chacune d’elles. Ainsi, le contrôle de l’apoptose par
inhibiteurs de caspases, par exemple, peut s’avérer une solution certes, mais seulement partielle. Cependant, en bloquant
la mort et en stimulant la repousse des neurones, il faut faire
attention à ne pas favoriser la nécrose et provoquer ainsi une
inflammation trop importante, ou tomber dans l’autre extrême,
soit la génération de tumeurs. C’est pourquoi la compréhension des mécanismes régissant l’apoptose nécessite des études
approfondies, que ce soit pour comprendre des phénomènes
normaux ou pathologiques de mort cellulaire.
De ce fait, il serait probablement plus efficace de trouver la
cause de ces dégénérescences, c’est-à-dire ce qui déclenche la
mort neuronale, afin d’agir directement sur leur survie. Pour
cela, il faudrait trouver des moyens pour détecter le plus précocement possible ces différentes maladies.
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