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Les mécanismes moléculaires de l'apoptose.

Auteur : Dr. Jean-Ehrland RICCI - INSERM U526. - Nice, France.

Adresse actuelle : La Jolla Institute for Allergy and Immunology, San Diego, California, USA.


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I - MÉCANISMES MOLÉCULAIRES DE L'APOPTOSE : ASPECT GÉNÉRAL

I-6. Famille Bcl-2


Les homologies de séquence et de fonctions entre CED-4 et Bcl-2 semblent indiquer que les protéines de la famille Bcl-2, tout comme CED-4, jouent un rôle majeur dans la régulation des caspases et plus généralement de l'apoptose. La translocation t(14,18) retrouvée dans les lymphomes folliculaires de type B a conduit à l'identification de Bcl-2 chez l'homme (White, 1996). La surexpression de Bcl-2 permet de bloquer l'apoptose induite par de nombreux stimuli (dommages de l'ADN, irradiations, expression d'oncogènes, glucocorticoïdes,...) (Yang et Korsmeyer, 1996).



a) Présentation des membres de la famille Bcl-2

Si l'on se réfère à leur fonctions biologiques, on peut classer les membres de la famille Bcl-2 en deux sous-familles, des membres anti-apoptotiques tel que Bcl-2, mais aussi Bcl-XL (Boise et Thompson, 1997), Bcl-w (Gibson et al., 1996), Mcl-1 (Kozopas et al., 1993; Zhou P. et al., 1997), A1 (Lin et al., 1993) /Bfl1 (Choi et al., 1995) et dernièrement Boo (Song et al., 1999) et des membres pro-apoptotiques comme Bax (Oltvai et al., 1993), Bak (Chittenden et al., 1995; Farrow et al., 1995; Kiefer et al., 1995), Bcl XS (Boise et Thompson, 1997), Bok (Hsu S.Y. et al., 1997) /Mtd (Inohara et al., 1998), Bad (Yang et al., 1995), Bik (Boyd et al., 1995) /Nbk (Han et al., 1996), Bid (Wang K. et al., 1996), Bim (O'Connor et al., 1998), Hrk (Inohara et al., 1997a), Blk (Hegde et al., 1998), BNIP3 (Chen G. et al., 1997; Yasuda et al., 1998).

Figure 6
agrandissement

Représentation schématique des membres de la famille Bcl-2.
Cette famille se caractérise par la présence de domaines BH 1 à 4 (Bcl-2 homology domain) (Kelekar et Thompson, 1998). La distribution de ces domaines permet de regrouper cette famille en trois classes (Figure 6) :


- Les membres anti-apoptotiques comme Bcl-2, Bcl-XL, Bcl-w, Mcl-1 et Boo présentent des homologies de séquence dans les domaines BH 1, 2, 3 et 4. Il est à signaler toutefois que certains de ces membres ne possédent pas de domaines BH4;

- Les membres pro-apoptotiques comme Bax, Bak, Bad, Bok, Diva présentent des homologies dans les séquences des domaines BH1, 2 et 3 mais pas ou peu dans les séquences BH4;

- Les membres n'ayant qu'un seul domaine BH3. Ce sont des protéines pro-apoptotiques telle que Bik, Hrk, Bim, Blk, Bid et BNIP3. Elles présentent des homologies de séquence mais uniquement dans leur domaine BH3.


Tous les membres de la famille Bcl-2, à l'exception de Bad et Bid, possèdent un domaine transmembranaire qui leur permet d'être localisés dans la membrane mitochondriale, le réticulum endoplasmique ou la membrane nucléaire externe (Nguyen et al., 1993; Akao et al., 1994; Hsu Y.T. et al., 1997). Certains membres de la famille semblent avoir la capacité de former des pores. Ainsi, la structure tridimensionnelle de Bcl-XL s'est révélée être similaire à celle du domaine formant des pores de certaines toxines bactériennes telles que la toxine diphtérique et les colicines (Muchmore et al., 1996). En fait, il a été montré que les molécules anti-apoptotiques Bcl-XL (Minn et al., 1997) et Bcl-2 (Antonsson et al., 1997; Schendel et al., 1997; Schlesinger et al., 1997) et la protéine pro-apoptotique Bax (Antonsson et al., 1997; Schlesinger et al., 1997), pouvaient former des canaux ioniques en s'insérant dans des membranes lipidiques. Le canal ionique généré par Bcl-2 présente une conductance optimale à pH acide ainsi qu'une préférence pour des cations monovalents (comme K+ et Na+) (Antonsson et al., 1997; Schendel et al., 1997; Schlesinger et al., 1997). Le canal formé par Bcl-XL est sélectif des cations à pH physiologique mais perd cette sélectivité à pH acide (Minn et al., 1997). En revanche, Bax forme un canal plutôt spécifique des anions et peu sensible au pH (Antonsson et al., 1997; Schlesinger et al., 1997).

BAR, un nouveau membre anti-apoptotique de la famille, récemment identifié par le groupe de John Reed, présente une structure originale (Figure 6). Il se compose de quatre domaines : un domaine RING, un domaine SAM, un DED suivi d'un domaine trans-membranaire (Zhang H. et al., 2000). Le domaine SAM est requis pour l'interaction de BAR avec Bcl-2 et Bcl-XL et pour l'inhibition de l'apoptose induite par Bax. Ces DEDs lui permettent d'interagir avec les procaspases et ainsi d'abolir la mort cellulaire induite par Fas. En fait, BAR est capable de former un complexe comprenant la procaspase 8 et Bcl-2. Les auteurs suggèrent que BAR, tout comme FLIP, entrerait en compétition avec les protéines adaptatrices, telle que FADD, pour la liaison aux procaspases 8 et 10 (Tschopp et al., 1998).



b) Régulation de l'activité

- PAR DIMÉRISATION

Une caractéristique importante des membres de la famille Bcl-2 est de pouvoir former des homo ou des hétérodimères. Les homodimères anti-apoptotiques Bcl-2 ou Bcl-XL se font par l'intermédiaire des domaines BH1 et BH2 (Yin et al., 1994). Les membres pro-apoptotiques contenant un domaine BH3, comme Bax ou Bak, peuvent interagir avec Bcl-2 ou Bcl-XL par l'intermédiaire à la fois de leur domaine BH3 mais aussi grâce à la poche hydrophobique formée par les domaines BH1, BH2 et BH3 de Bcl-2 et Bcl-XL (Chittenden et al., 1995; Zha H. et al., 1996; Sattler et al., 1997; Simonen et al., 1997). En fait, il semble que la balance entre la vie et la mort cellulaire soit influencée par le type et la proportion de dimères anti- ou pro-apoptotiques formés (Oltvai et al., 1993; Oltvai et Korsmeyer, 1994; Sedlak et al., 1995). Ainsi par exemple, lorsque Bax est préférentiellement exprimé, des homodimères Bax-Bax se formeront et conduiront à la mort cellulaire. En revanche, si c'est Bcl-2 qui est majoritairement exprimée alors il y aura formation de dimères Bcl-2-Bcl-2 et donc survie cellulaire. Cependant un article récent semble indiquer que, pour des raisons structurales, des homodimères Bcl-2 ne pourraient pas se former et que Bcl-2 jouerait son rôle anti-apoptotique sous forme monomérique (Conus et al., 2000).

Les membres ne comportant qu'un domaine BH3, comme Bad ou Bid, ne peuvent pas former d'homodimères et ne possédent pas d'activité intrinsèque. En fait, ils joueraient leur rôle pro-apoptotique en formant des dimères avec des membres anti-apoptotiques réduisant ainsi la capacité de ceux-ci à former des homodimères protecteurs et dans le même temps favoriseraient la constitution de dimères pro-apoptotiques (Kelekar et al., 1997; Sattler et al., 1997).



- PAR PHOSPHORYLATION

En plus des niveaux d'expression respectifs de chaques membres et de leur capacité à former des dimères, l'action de cette famille de protéines sur le devenir cellulaire peut être également modulée par des modifications post-traductionnelles. L'exemple le plus caractéristique de ce type de régulation est la phosphorylation de Bad dans des lignées cellulaires dépendantes des facteurs de croissance. En présence du facteur de croissance IL-3, Bad est phosphorylé sur sérine par la kinase Akt (Zha J. et al., 1996). Cette phosphorylation se produit en présence de mitogènes, de facteurs de croissance, d'hormones ou d'ester phobol par exemple. Elle entraîne l'association de Bad avec la protéine cytosolique 14-3-3 (Zha J. et al., 1996). En absence d'IL-3, Bad est déphosphorylée et peut donc se libérer de la protéine 14-3-3. Une fois le domaine BH3 de Bad libéré, il peut interagir avec Bcl-XL et ainsi bloquer son action protectrice (Kelekar et al., 1997; Zha et al., 1997). Bcl-2 est également une phosphoprotéine (Chang et al., 1997). Ainsi, un traitement des cellules avec du Taxol (agent chimiothérapeutique), ou l'utilisation d'acide Okadaïque (inhibiteur de phosphatase) résulte en la phosphorylation sur sérine de Bcl-2. Cette phosphorylation rend alors Bcl-2 incapable d'interférer avec l'apoptose (Haldar et al., 1995). Raf1 pourrait être la serine/thréonine kinase responsable de cette modification. En effet, il a été montré que Raf1 et Bcl-2 pouvaient interagir (Wang H.G. et al., 1994; Blagosklonny et al., 1996; Wang H.G. et al., 1996). De plus, la voie SAPK (Maundrell et al., 1997) ainsi que la protéine kinase A dépendante de l'AMPc (Srivastava et al., 1998) ont aussi été impliquées dans la phosphorylation de Bcl-2.



En définitive, les membres de la famille Bcl-2 exercent deux fonctions essentielles : ils participent d'une part à la formation de pores régulant le passage d'ions et de certaines substances activatrices de l'apoptose (cf. chapitre suivant) et d'autre part modulent la fonction des molécules régulatrices de l'apoptose par l'intermédiaire d'interactions protéine-protéine.



c) Invalidation génique

- BCL-2

Les souris invalidées pour le gène de Bcl-2 sont viables (TABLE 3). Cependant la majorité d'entre-elles meurent quelques semaines après la naissance. Les souris Bcl-2-/- développent une insuffisance rénale sévère due à un nombre diminué de néphrons (Veis et al., 1993; Nakayama et al., 1994; Kamada et al., 1995). De plus, les souris deviennent grises à l'âge de 5 ou 6 semaines, période qui correspond au deuxième cycle des follicules pileux. Cette hypopigmentation reflète la diminution de la survie des mélanocytes (Veis et al., 1993; Nakayama et al., 1994; Kamada et al., 1995). Bien que les souris Bcl-2-/- présentent une différenciation normale des lignages T et B, elles sont incapables de maintenir l'homéostasie du système immunitaire. Le thymus et la rate subissent une apoptose massive quelques semaines après la naissance (Veis et al., 1993; Nakayama et al., 1994).

En définitive il semble que Bcl-2 joue un rôle mineur dans la différenciation des cellules T (cellules immatures) mais un rôle central dans la survie de la population de lymphocytes T matures.


- BCL-X

L'invalidation du gène Bcl-X est létale au jour 13 de développement embryonnaire (E13) (Motoyama et al., 1995) (TABLE 3). Les souris Bcl-X-/- présentent une apoptose massive au niveau du cerveau, de la moelle épinière et du thymus. L'effet létal de l'invalidation de ce gène est probablement du à la mort cellulaire massive des cellules hématopoïétiques et des neurones (Motoyama et al., 1995). Contrairement à Bcl-2, la fonction de Bcl-X semble être capitale pour la survie des lymphocytes immatures.

En définitive, il apparaît que Bcl-2 et Bcl-X régulent de manière séquentielle la mort cellulaire au cours du développement des lymphocytes.


- BAX

Les souris Bax-/- sont viables, indiquant donc que Bax n'est pas essentiel pour le développement de l'organisme (TABLE 3) (Knudson et al., 1995). Les souris mâles invalidées pour Bax sont infertiles en raison d'une exacerbation des phénomènes apoptotiques au niveau des cellules germinales. Les ovaires des souris Bax-/- présentent un excès cellulaire dans les follicules primaires, consécutif à un défaut d'apoptose. De plus, les neurones isolés à partir de ces souris peuvent proliférer en absence de facteur de croissance.

En conclusion, bien que les neurones expriment la plupart des membres de la famille Bcl-2, il semble que la mort induite par la déprivation en facteur de croissance soit strictement dépendante de Bax (Deckwerth et al., 1996).


- BCL-W

Les souris Bcl-w-/- sont viables (Print et al., 1998) (TABLE 3). Alors que les femelles possèdent des fonctions reproductrices normales, les mâles sont infertiles. Les testicules se développent normalement mais la maturation des spermatozoïdes ne peut se faire jusqu'à terme en raison d'un grand nombre de cellules apoptotiques au niveau du tube séminifère.

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