Mécanismes de signalisation et rôle des caspases
La transmission des signaux déclenchant l'apoptose s'effectue par l'intermédiaire de récepteurs membranaires cellulaires ou par action directe sur les structures intracellulaires. Les signaux sont divisés en deux groupes :
- Négatifs (bloquent l'apoptose) : transmis par les hormones et les facteurs de croissance.
- Positifs (induisent l'apoptose) : transmis par les ligands Fas, le facteur nécrose tumorale alpha (TNF-α) et le facteur de croissance transformant bêta (TGF-β).
Certains facteurs pro-apoptotiques agissent directement sur les organites. Par exemple, les glucocorticoïdes provoquent la mort cellulaire en interagissant avec des récepteurs spécifiques situés sur la membrane nucléaire.
Le pivot de la pathogénèse est l'activation des caspases. Ce sont des protéases à cystéine qui clivent les protéines précisément au niveau des résidus d'acide aspartique. Les enzymes de la cascade sont divisées en enzymes de contrôle et en enzymes intégratrices.
Le mécanisme de leur action comprend :
- L'activation des caspases elles-mêmes.
- Le clivage de nombreuses cibles (protéines du cytosquelette et de la matrice cellulaire). Le choc principal touche le noyau et les protéines nucléaires impliquées dans la transcription, la réplication et la réparation de l'ADN.
- La culmination : l'activation des nucléases et des enzymes détruisant les nucléoprotéines.
Un exemple particulier est l'action de la caspase-3 : elle transforme la désoxyribonucléase cytoplasmique inactive en une forme active, ce qui provoque le clivage internucléosomal de l'ADN nucléaire.
Voie intrinsèque (mitochondriale)
Ce mécanisme est mis en œuvre par la modification de la perméabilité des membranes mitochondriales. Les inducteurs sont l'absence de facteurs de croissance et d'hormones trophiques, ainsi que l'action d'agents endommageant l'ADN.
Le déclencheur le plus important de l'apoptose est le cytochrome c. Normalement situé dans les mitochondries, lorsqu'il est libéré dans le cytosol, il déclenche le processus de mort cellulaire. La perméabilité membranaire est contrôlée par la famille de protéines Bcl-2, qui comprend plus de 20 protéines. Leur équilibre détermine le destin de la cellule :
- Promoteurs de l'apoptose (Bax, Bak, Bad) : s'insèrent dans la membrane mitochondriale, forment des canaux et permettent la sortie du cytochrome c dans le cytosol.
- Inhibiteurs de l'apoptose (Bcl-2) : régulent la perméabilité de la membrane externe, empêchant la fuite du cytochrome c.
Si les facteurs pro-apoptotiques l'emportent, le cytochrome c libéré interagit avec le facteur Apaf-1 (activateur de protéases, analogue du gène ced-9 des nématodes). Il en résulte l'induction d'une cascade protéolytique déterminant la mort de la cellule.
Voie extrinsèque (voie des récepteurs de mort)
Elle est déclenchée par des molécules de surface : les récepteurs de mort. La plupart d'entre eux appartiennent à la famille des récepteurs du TNF et contiennent un « domaine de mort » intracellulaire conservé, responsable de l'interaction avec d'autres protéines. Les prototypes sont le récepteur du TNF de type I et les récepteurs Fas (CD95).
Mécanisme d'activation illustré par Fas :
- La protéine ligand membranaire (FasL) est exprimée principalement sur les lymphocytes T activés.
- Les lymphocytes T reconnaissent les cibles portant les récepteurs Fas.
- FasL provoque la liaison croisée (cross-linking) des molécules du récepteur Fas.
- Des protéines adaptatrices sont activées, lesquelles se lient à la caspase-8 et l'activent.
La voie extrinsèque a une importance physiologique majeure : elle est nécessaire à l'élimination des lymphocytes autoréactifs et à la destruction des cellules cibles par les lymphocytes T cytotoxiques (CTL). Cette voie est bloquée par les protéines cellulaires FLIP (antagonistes des caspases).
Il est intéressant de noter que les voies peuvent se croiser. Dans un certain nombre de cellules, la caspase-8 clive la protéine Bid (membre pro-apoptotique de la famille Bcl-2). Cela soutient la voie mitochondriale, et l'activation combinée porte un coup fatal à la cellule.
Génétique, élimination et pathologie
La régulation génétique du processus est strictement ordonnée. Les gènes et leurs produits protéiques sont divisés en 4 groupes : ceux transmettant le signal de la membrane, ceux contrôlant et intégrant, ceux exécutant l'apoptose, ainsi que ceux régulant la phagocytose.
L'étape finale est la clairance (élimination) des corps apoptotiques. Il s'ensuit leur phagocytose immédiate par les cellules voisines et les macrophages. La principale conséquence en est le blocage de la réaction inflammatoire, car les cellules sont éliminées avant la libération de leur contenu à l'extérieur. Voies alternatives d'élimination des corps : par la sécrétion des glandes, ainsi que par la lympho- et la circulation sanguine.
On distingue 3 variantes pathologiques de troubles de la régulation :
- Apoptose excessive (dépasse le taux de prolifération).
- Apoptose insuffisante (diminuée par rapport à la prolifération).
- Apoptose incomplète (liée à l'absence ou à l'altération de la phagocytose des corps apoptotiques).
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quelles protéines adaptatrices spécifiques relient les récepteurs de mort à la procaspase-8 ?
Les récepteurs de mort relient les protéines adaptatrices FADD et TRADD à la procaspase-8.
- FADD (Fas-associated death domain) : associé aux récepteurs Fas, DR4 et DR5. Il reconnaît les domaines de mort au sein de la procaspase-8, s'y lie et provoque son activation en caspase-8.
- TRADD (TNF-receptor death domain) est associé au récepteur TNFRI. Il agit de manière similaire, mais exerce son effet de manière indirecte par l'intermédiaire d'une interaction avec FADD.
Il résulte de ces interactions la formation de complexes moléculaires DISC (Death-inducing signaling complex), qui déclenchent la cascade des caspases.
Quel rôle la protéine p53 joue-t-elle dans le déclenchement de la voie mitochondriale de l'apoptose ?
La protéine p53 initie la voie mitochondriale de l'apoptose en cas de dommage irréparable de l'ADN. Elle agit comme un facteur pro-apoptotique qui déclenche l'expression de gènes de l'apoptose et la synthèse de protéines promotrices correspondantes. L'accumulation de p53 conduit à la stimulation de capteurs activant les protéines pro-apoptotiques Bax et Bak (famille Bcl-2). Ces protéines s'insèrent dans la membrane mitochondriale, formant des canaux pour la sortie du cytochrome c dans le cytosol, ce qui déclenche finalement la cascade des caspases. En cas de mutation ou d'absence de p53, l'apoptose n'est pas déclenchée, ce qui entraîne la survie de cellules dont l'ADN est endommagé.
Quels changements morphologiques se produisent dans la cellule à différents stades de l'apoptose ?
La morphogenèse de l'apoptose comprend des modifications successives du noyau, du citosol et la formation de corps spécifiques.
- Condensation et margination de la chromatine : la chromatine se rassemble en hémisphères et en mottes, le noyau devient déchiqueté et se fragmente, des corps osmiophiles apparaissent.
- Rétraction cellulaire : il se produit une condensation du cytoplasme et des organites intracellulaires par déshydratation et réticulation des protéines. Les organites restent intacts, les ribosomes s'agrègent en structures semi-cristalloides.
- Formation de corps apoptotiques : la cellule se désintègre en fragments entourés d'une membrane, contenant des portions du noyau et des organites tassés.
- Phagocytose : absorption des corps apoptotiques par les macrophages ou les cellules voisines sans développement de réaction inflammatoire.
À l'aide de quelles méthodes et de quels marqueurs met-on en évidence l'apoptose dans les préparations histologiques ?
Pour détecter l'apoptose dans les préparations histologiques, on utilise des méthodes fondées sur la mise en évidence de modifications spécifiques de l'ADN, des enzymes et de l'ultrastructure cellulaire.
- Test TUNEL : méthode de marquage in situ par des bases d'uridine pour détecter les brins d'ADN clivés non appariés. Il met en évidence les cellules à chromatine condensée, les noyaux pycnotiques et les corps apoptotiques.
- Méthodes immunohistochimiques : utilisées comme marqueurs pour révéler l'activité de certains types de caspases.
- Microscopie électronique : la méthode la plus fiable de vérification ultrastructurale, permettant d'évaluer l'intégrité des organites, la condensation de la chromatine et l'intégrité de la membrane des corps apoptotiques.
Au niveau de la microscopie optique, la mise en évidence des corps apoptotiques est difficile en raison de leur phagocytose rapide in vivo.
Pour ne pas confondre les protéines de la famille Bcl-2, prêtez attention à la lettre « a » dans le nom : Bax, Bak, Bad correspondent à l'attaque (facteurs pro-apoptotiques qui perforent les mitochondries). Quant au Bcl-2 classique, il s'agit de l'inhibiteur protégeant la cellule.
Questions des cours et des examens
Quel est le principal enzyme de l'apoptose ?
Les caspases jouent un rôle clé : ce sont des protéases à cystéine qui clivent les protéines au niveau des résidus d'acide aspartique. Elles détruisent le cytosquelette, la matrice et activent les nucléases pour cliver l'ADN.
Quelle est la différence entre les voies extrinsèque et intrinsèque de l'apoptose ?
La voie intrinsèque (mitochondriale) est initiée de l'intérieur de la cellule par la libération du cytochrome c. La voie extrinsèque est activée par les « récepteurs de mort » de surface (par exemple, Fas) lors du contact avec des ligands externes.
Pourquoi l'apoptose n'entraîne-t-elle pas d'inflammation ?
Les corps apoptotiques subissent une phagocytose immédiate par les macrophages et les cellules voisines. Le contenu de la cellule morte n'a pas le temps de pénétrer dans le milieu extracellulaire, ce qui bloque complètement la réaction inflammatoire.
À étudier également sur le sujet
- Mécanisme d'action de la caspase-3 et clivage intranucléosomal de l'ADN
- Interaction du cytochrome c avec le facteur Apaf-1 dans la voie mitochondriale
- Famille des récepteurs du facteur de nécrose tumorale (TNF) et structure du « domaine de mort »
- Classification génétique : 4 groupes de gènes régulant les phases de l'apoptose
- Variantes pathologiques : causes de l'apoptose excessive, insuffisante et incomplète
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