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Comment les protéines caspases tuent-elles une cellule ?


Wikipédia dit juste…

Les caspases effectrices actives dégradent ensuite de manière protéolytique une multitude de protéines intracellulaires pour mener à bien le programme de mort cellulaire.

D'accord, mais quelles parties de la cellule coupent-ils ? Et qu'arrive-t-il au reste des composants internes des cellules, en particulier les parties qui ne sont pas clivées ?


La caspase ne tue pas directement la cellule, mais active plutôt un processus appelé apoptose, ou mort cellulaire programmée. Les programmé une partie est là pour le distinguer d'autres types de mort cellulaire, tels que nécrose, qui sont des processus de mort plus aspécifiques.

Pour en revenir aux caspases, il s'agit d'une série de protéases, qui peuvent s'activer en cascade en réponse à un signal pro-apoptotique.

Pour simplifier beaucoup les choses, le signal pro-apoptotique s'active d'abord caspases initiatrices, comme la caspase 8, 9, 10 (plus une série d'autres protéines).

Ceux-ci, à leur tour, clivent d'autres caspases effectrices, qui sont ceux qui font effectivement le sale boulot: caspase 3, 6 et 7.

Maintenant, il se passe beaucoup de choses en même temps (voir ce PDF d'AbCam pour avoir une idée de la complexité du système).

Au niveau nucléaire, vous avez par exemple :

  • l'activation d'enzymes de clivage de l'ADN, telles que CAD (caspase-activable DNAse), qui est normalement inactive, en raison de la liaison à son inhibiteur I-CAD. Ce dernier est une cible des caspases effectrices et sa dégradation provoque l'entrée de CAD dans le noyau et le démarrage de la fragmentation de l'ADN.

  • le clivage de la PARP (Poly(ADP-ribose) polymérase), une enzyme nucléaire impliquée dans la recherche et la réparation des cassures simple brin sur l'ADN.

  • clivage des lamines (par les caspases effectrices + autres protéases), des protéines importantes pour la formation de la lame nucléaire et la stabilité du noyau cellulaire

  • le clivage de U1, une protéine nucléaire nécessaire au traitement de l'ARNm.

Des événements très complexes se produisent également au niveau des mitochondries : vous avez ici une série de protéines, qui appartiennent à la famille Bcl-2, qui contrôlent l'apoptose principalement en régulant les niveaux de Ca2+ dans la cellule. Il y a 25 membres de cette famille, qui peuvent être divisés en deux "côtés": les protéines pro-apoptotiques telles que Bax, Bak et BAD et les protéines anti-apoptotiques telles que Bcl-2, Bcl-xL et Bcl-w.

Le fonctionnement des protéines Blc-2 est très complexe et je ne suis pas au courant de la dernière littérature mais pour simplifier, essentiellement ce qui se passe c'est que lorsque l'équilibre entre les protéines anti-apoptotique et pro-apoptotique se déplace vers le pro -, il y a:

  • libération du cytochrome c des mytochondries vers le cytoplasme, ce qui peut activer les caspases effectrices.
  • induction de MPTP (Mitochondrial Permeability Transition Pores), des protéines qui augmentent la perméabilité mitochondriale qui cause toutes sortes de problèmes, conduisant éventuellement au gonflement des mitochondries et à la perte de leur fonction

Différents événements entraînent également une augmentation de la concentration en calcium cytoplasmique, ce qui peut, par exemple, induire l'activité d'endonucléases activées par le calcium ou d'autres protéines pro-apoptotiques dépendantes du calcium.

C'est loin d'être une liste exhaustive de ce qui se passe, mais ça donne une idée de la complexité du système.


Apoptose ou nécroptose ? La protéine caspase-8 décide

Doug Green, PhD, à gauche, et Bart Tummers, PhD, écrivent sur une protéine qui détermine le destin des cellules.

Un courtier de la mort cellulaire

Les cellules se tuent volontairement tout le temps. C'est généralement une bonne chose, car cela élimine les cellules malades ou inutiles du corps et aide à éviter les maladies.

Mais la mort cellulaire n'est pas un événement simple. De nombreux déclencheurs peuvent en être la cause, notamment le stress, les infections et les signaux pro-cancer. Et il existe différentes manières pour les cellules de mourir. Des dommages excessifs peuvent tuer une cellule, mais les cellules peuvent aussi décider de mourir d'elles-mêmes. Ceci est stimulé par des signaux de l'intérieur ou de l'extérieur et est régulé par des mécanismes moléculaires sophistiqués, la mort est « programmée ». Les infections et les signaux pro-cancer produisent des facteurs extrinsèques qui peuvent initier deux types de mort cellulaire programmée : l'apoptose et la nécroptose. Si et comment ces facteurs extrinsèques tuent la cellule dépend d'une interaction complexe entre les événements moléculaires.

Caspase-8 : bourreau, protecteur

L'un des principaux décideurs est la protéine caspase-8. La caspase-8 acquiert la capacité de cliver d'autres protéines lorsque la cellule est activée par des signaux extrinsèques. Il traite ensuite une protéine exécutrice de la mort cellulaire, appelée caspase-3, et la cellule meurt par apoptose.

Cependant, la caspase-8 peut également protéger les cellules de la mort. Pour cela il s'appuie sur l'expression de la protéine cFLIPL. De manière complexe, l'expression de cFLIPL est induite par les mêmes signaux extracellulaires qui régissent la mort. Le cFLIPL exprimé arrête la capacité de la caspase-8 à induire l'apoptose et la vie cellulaire. Les signaux extracellulaires induisent un troisième événement d'activation des protéines RIPK1, RIPK3 et MLKL. Il en résulte la mort de la cellule par nécroptose.

Les cellules qui meurent par apoptose « bleb » juste avant de mourir.

Les cellules qui meurent par nécroptose s'arrondissent et " éclatent ", libérant leur contenu dans le milieu environnant.

cFLIPL dirige la caspase-8 pour cliver RIPK1 et RIPK3 et cela arrête la nécroptose. L'expression de cFLIPL protège ainsi la cellule de la mort cellulaire à la fois apoptotique et nécroptotique et permet simultanément l'expression de facteurs qui provoquent l'inflammation.

Les cellules qui meurent par apoptose « bleb » juste avant de mourir.

Les cellules qui meurent par nécroptose s'arrondissent et « éclatent », libérant leur contenu dans le milieu environnant.

Qu'est-ce qui cloche dans la balance ?

Le type de mort choisi peut avoir des effets majeurs sur la réponse immunitaire de l'organisme au cancer et aux maladies inflammatoires. L'apoptose est généralement un mode silencieux de mort cellulaire, les cellules environnantes ou le système immunitaire ne sont pas alarmés. Mais les cellules nécroptotiques peuvent alarmer les cellules environnantes, ce qui peut entraîner une inflammation massive.

Pourquoi les cellules ont-elles cet équilibre ? Pourquoi le cFLIPL et la caspase-8 sont-ils importants ? Certains agents pathogènes peuvent interférer avec l'expression de cFLIPL. Cela peut activer la caspase-8 et la cellule meurt par apoptose. D'autres agents pathogènes interfèrent avec la fonction de la caspase-8. La caspase-8 ne peut alors plus bloquer RIPK1 et RIPK3 et la balance penche vers la nécroptose. Cela tue la cellule infectée, emportant la « maison » de l'agent pathogène, avertit les cellules environnantes et stimule l'attraction des cellules immunitaires qui peuvent former la défense contre l'agent pathogène. Jusqu'ici tout va bien. Mais que se passe-t-il lorsque des agents pathogènes interfèrent avec la nécroptose ? Le corps reste-t-il alors infecté ? Heureusement non.

Les cellules ont d'autres moyens de signaler au système immunitaire qu'il y a une infection. Et le système immunitaire éliminera l'infection. Cependant, lorsque les cancers éliminent l'expression de RIPK3, ils sont également protégés de la nécroptose. Les cellules immunitaires sont entraînées à ne pas attaquer les cellules provenant du corps, de sorte que les cellules cancéreuses ne seront pas éliminées par le système immunitaire. De nombreux types de cancer utilisent cette stratégie de réduction de l'expression de RIPK3 pour échapper à la nécroptose. Une option pourrait être d'inhiber l'expression de cFLIPL, afin que les cellules cancéreuses puissent mourir par apoptose. Malheureusement, cela donne des effets secondaires graves, car les cellules saines sont également affectées. D'autres stratégies doivent donc être développées. Et cela nécessite une compréhension encore plus approfondie de la façon dont ces mécanismes moléculaires complexes sont régulés. L'identification d'autres molécules, interactions ou thérapies peut conduire à une stratégie innovante pour le traitement du cancer.

Dans un récent article de revue dans Examens immunologiques, nous examinons de près l'interaction complexe entre la caspase-8, le FADD et le cFLIP dans différents types de mort cellulaire et d'inflammation. Lire l'article de synthèse.

A propos de l'auteur

Douglas Green, PhD, est président du département d'immunologie, co-responsable du programme de biologie du cancer et titulaire de la chaire Peter C. Doherty d'immunologie au St. Jude Children's Research Hospital et a récemment été élu à la National Academy of Sciences. Voir la biographie complète.

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Caspases

Introduction

Les caspases définissent une classe de cystéinyl protéases appartenant à la famille C14 de la classification de Barrett et Rawlings Barrett (1997) . Ces enzymes ont un besoin absolu d'un résidu d'acide aspartique en position P1 de la liaison scissile. La famille des gènes des caspases contient jusqu'à présent 11 membres humains qui peuvent être divisés en trois groupes. Le groupe 1 (caspases 1, 4 et 5) est constitué d'enzymes impliquées dans la régulation de l'inflammation. Le groupe 2 (caspases 2, 3 et 7) et le groupe 3 (caspases 6, 8, 9 et 10) sont composés de caspases régulant l'apoptose. Les caspases 11 et 12 sont des protéines murines dont les caspases 5 et 4 peuvent être les contreparties humaines. La dernière addition aux caspases humaines, la caspase-14, ne semble pas être impliquée dans la régulation de l'apoptose ou de l'inflammation mais pourrait jouer un rôle dans la différenciation cellulaire Eckhart et al (2000) . La caspase-13, initialement confondue avec une protéine humaine Koenig et al (2001) , correspond très probablement à l'orthologue bovin de la caspase-4 humaine.

Des preuves récentes indiquent que certaines des caspases impliquées dans l'induction de l'apoptose dans certains systèmes cellulaires sont nécessaires pour les programmes de différenciation dans d'autres. La survie des cellules ayant activé leurs caspases n'est pas totalement comprise mais peut être médiée par le clivage de substrats de caspases non conventionnels, tels que RasGAP, qui génèrent des signaux anti-apoptotique une fois clivés Yang et Widmann (2001) .


Comment les protéines communiquent entre elles : la caspase-3 se clive de manière imprévue

Les chercheurs du Burnham Institute for Medical Research ont identifié de nouveaux sites de clivage pour l'enzyme caspase-3 (une enzyme qui clive par protéolyse les protéines cibles). À l'aide d'une technique protéomique avancée appelée N-terminomique, Guy Salvesen, Ph.D., professeur et directeur du programme de recherche sur l'apoptose et la mort cellulaire du Centre du cancer désigné par le NCI de Burnham, et ses collègues ont déterminé les sites de clivage sur les protéines cibles et ont trouvé, contrairement à la compréhension précédente, que la caspase-3 cible les hélices α ainsi que les boucles non structurées. De plus, les chercheurs ont découvert que la caspase-3 et les substrats auxquels elle se lie co-évoluaient.

L'article a été publié le 20 septembre dans la revue Nature Biologie structurale et moléculaire.

Avant cette étude, les scientifiques pensaient que les protéases clivent principalement dans des boucles non structurées, des parties instables des protéines qui sont facilement accessibles. La découverte que la caspase-3 clive également les hélices α contredit un dogme actuel et offre de nouvelles perspectives sur les voies de signalisation des protéines.

"Ce fut une grande surprise car il ne devrait pas y avoir quoi que ce soit pour qu'une protéase puisse s'accrocher dans une hélice", a déclaré le Dr Salvesen. "Nous avons découvert que le concept de base selon lequel elles ne se clivent pas en hélices est faux. Cependant, bien que nous ayons découvert que les protéases peuvent scinder les hélices, nous ne pensons pas que ce soit leur fonction biologique."

En plus de déterminer les sites de clivage, l'équipe a également déterminé quelles interactions étaient « biologiquement significatives ». En d'autres termes, quels clivages ont modifié la fonction de la protéine cible et lesquels ont eu peu d'impact.

L'équipe a testé la caspase-3 humaine et la protéase glutamyl endopeptidase staphylococcique (GluC) contre la Escherichia coli (E. coli) protéosome. Dans une deuxième série, le substrat de caspase humaine a été testé avec la caspase-3 humaine. Les chercheurs ont trouvé des sites de clivage en utilisant la protéomique N-terminale (N-terminomique), dans laquelle les substrats clivés sont marqués à un bord exposé (N-terminal) et analysés par spectrométrie de masse. Les données de ces tests ont ensuite été comparées à des listes de substrats dans la Protein Data Bank. Notamment, la caspase-3 ne s'est pas clivé E. coli protéines aussi efficacement que les protéines humaines. Cependant, lorsque hybride humain/E. coli ont été construites, le clivage a été grandement amélioré, ce qui a conduit les chercheurs à conclure que la caspase-3 co-évoluait avec ses substrats humains.

Parce qu'elles modifient les fonctions d'autres protéines, les protéases comme la caspase-3 sont essentielles à la signalisation cellulaire. Comprendre comment et où elles interagissent avec les protéines cibles améliore notre capacité à comprendre l'évolution des maladies.


Implications de la variabilité de cellule à cellule pour la modélisation informatique de la mort cellulaire

Des modèles de biologie des systèmes de signalisation cellulaire et de comportements cellulaires ont été construits à l'aide de plusieurs stratégies. 19 Pour les modèles informatiques d'apoptose à la fois extrinsèque (induite par un ligand) et intrinsèque (induite par des dommages), les stratégies incluent la logique booléenne ou floue, 20, 21, 22 axée sur les données 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 ou algorithmes bayésiens. 31 Chaque méthode est adaptée à un type de question spécifique, mais l'approche de modélisation qui peut le plus facilement se rapporter aux mécanismes moléculaires sous-jacents est l'utilisation d'un système d'équations différentielles ordinaires (EDO). Le système des EDO code mathématiquement les réactions biochimiques qui sont comprises ou supposées avoir lieu dans une décision de mort/survie cellulaire. 32, 33 De nombreux modèles ODE de mort cellulaire induite par un ligand ont été publiés, simulant et prédisant la réponse de mort cellulaire au ligand Fas (FasL), au ligand induisant l'apoptose liée au TNF (TRAIL) ou au facteur de nécrose tumorale (TNF) avec divers degrés de détails. 7, 10, 34, 35, 36, 37, 38

La plupart des modèles ODE récapitulent une série de réactions biochimiques qui se déroulent dans le temps, et simulent donc la réponse dynamique dans un réseau de signalisation. Il convient de noter qu'une instance du modèle représente une instance du réseau biochimique, et représente donc une cellule. En conséquence, les résultats de simulation doivent être comparés avec des mesures expérimentales caractérisant le comportement dynamique de cellules individuelles.

Quelle cellule un modèle devrait-il tenter de récapituler : une cellule correspondant à des mesures moyennes de population ou, peut-être, une cellule « typique » ? Bien qu'apparemment fastidieuse, il s'agit d'une décision cruciale dans le contexte des modèles de mort cellulaire, principalement parce que certaines étapes mesurables du processus de mort cellulaire, comme l'activation de la caspase-3, ont un caractère "tout ou rien", comme nous l'avons vu. dans la section précédente. En général, s'il existe une variabilité importante de cellule à cellule dans le processus de mort cellulaire modélisé, en particulier si les réponses cellulaires sont asynchrones, il peut ne pas exister de cellule individuelle au sein de la population qui réponde avec un comportement qui suit la moyenne mesurée ( Figure 2b). Un exemple clair du risque de s'appuyer sur des mesures basées sur la population lors du développement de modèles ODE de mort cellulaire réside dans le concept d'un ‘CE50' (ou concentration efficace demi-maximale). Au CE50 pour un certain médicament ou ligand induisant la mort cellulaire, la moitié des cellules traitées meurent mais, selon toute vraisemblance, aucune cellule ne meurt à moitié. Par conséquent, faire correspondre un modèle uniquement à une mesure moyenne de la population peut être un exercice déjoué et peut produire un modèle qui ne se comporte pas comme n'importe quelle cellule de la population.

Et si les seules données quantitatives accessibles provenaient d'essais basés sur la population ? Comme nous le discutons dans l'encadré 1, des travaux récents indiquent des moyens d'analyser les données basées sur la population pour déduire s'il existe une hétérogénéité dans les réponses cellulaires d'intérêt. Cela pourrait être fait en interprétant une courbe dose-réponse ou par une analyse statistique de mesures répétées sur un petit nombre de cellules (Encadré 1). Néanmoins, comment devrions-nous alors comparer les résultats de la simulation du modèle aux données basées sur la population ? Une approche prometteuse pour modéliser les réponses cellulaires hétérogènes consiste à exécuter des "populations" de modèles, pour récapituler le comportement des populations de cellules. Dans cette approche, des ensembles de nombreuses simulations du même modèle avec des variations de paramètres représentatifs des sources de variabilité de cellule à cellule (les sources de cette variabilité sont discutées dans la section suivante) sont utilisés pour approximer le comportement d'un ensemble de cellules. 11, 39, 40, 41, 42, 43, 44 Les résultats de simulation moyennés peuvent être comparés aux mesures de la moyenne de la population, ou lorsque des données à cellule unique sont disponibles, des ensembles de simulations peuvent être directement comparés à des ensembles de données à cellule unique. À cette fin, le développement récent des approches bayésienne et chaîne de Monte Carlo Markov pour l'estimation des paramètres, où le répartitions des valeurs de paramètres possibles sont dérivées en calculant les meilleurs ajustements à répartitions de mesures à cellule unique, devrait s'avérer particulièrement utile. 45

Encadré 1. Évaluation de l'hétérogénéité de cellule à cellule à l'aide de mesures basées sur la population

L'interprétation traditionnelle d'un résultat d'un essai basé sur la population est qu'il définit un comportement cellulaire attendu ou moyen. Cependant, la présence d'hétérogénéité de cellule à cellule peut toujours être révélée par une conception expérimentale minutieuse et une inspection réfléchie des données basées sur la population.

Hétérogénéité unicellulaire à partir des courbes dose-réponse

Une façon de déterminer si les réponses cellulaires varient entre les cellules consiste à inspecter de près les courbes dose-réponse, qui peuvent être paramétrées avec une fonction sigmoïde logistique conventionnelle (équation 1 et encadré 1a de la figure).

Ici, oui mesure la réponse des cellules à la dose (par exemple, la viabilité des cellules à une concentration donnée de médicament), E0 et Einf sont les effets théoriques minimaux et maximaux définis par les asymptotes supérieure et inférieure de la courbe de réponse, CE50 est la dose à laquelle l'effet demi-maximal (E50) est observé et SH est le coefficient de pente de la colline. Même si E0 est mesurable, comme l'effet de l'absence de médicaments, Einf est estimée à partir de la courbe dose-réponse, ou à partir de Emax, le maximum mesuré effet. Pour les mesures de viabilité, si l'effet maximum théorique (Einf) est sous-optimal et n'atteint donc pas zéro ou 100% (selon que le stimulus favorise ou inhibe la mort cellulaire, respectivement), alors il doit y avoir une hétérogénéité dans la population cellulaire.

Lors de la mesure d'un signal ou d'un résultat qui n'est pas de nature binaire ou catégorique, d'autres mesures plus subtiles peuvent être plus révélatrices. Récemment, Fallahi-Sichani et al. 76 ont montré que pour la viabilité relative des cellules cancéreuses traitées avec des inhibiteurs de la voie phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase (PI3K), une courbe dose-réponse peu profonde était associée à une variabilité de cellule à cellule du degré d'inhibition du signal. Pour les inhibiteurs de kinase compétitifs, on s'attendrait à ce que la courbe dose-réponse soit bien ajustée avec une SH de 𢏁 une courbe peu profonde aurait SH 〈〈 1 (par exemple, Figure Box 1). Fallahi-Sichani et al. 76 ont constaté que la pente de la courbe dose-réponse pour certaines cibles PI3K/Akt/mammifères des inhibiteurs de la voie de la rapamycine était particulièrement faible, avec SH 〈〈 1 pour plusieurs lignées cellulaires cancéreuses. Des analyses à cellule unique ont montré que la réponse à ces inhibiteurs particuliers de la voie PI3K avait des coefficients de variation plus importants, indiquant une plus grande variabilité de cellule à cellule dans la population.

Hétérogénéité unicellulaire à partir du profilage stochastique

De nombreuses techniques expérimentales sont sensibles à l'abondance du matériel de départ, ce qui limite leur utilité pour l'analyse monocellulaire. Une approche intelligente pour contourner ces limitations et déduire la variabilité au sein d'une population de cellules, consiste à effectuer plusieurs mesures sur des échantillons de quelques cellules (10�) et à quantifier la variabilité entre les échantillons. L'approche statistique, appelée « profilage stochastique », révèle une hétérogénéité, ou plus précisément une bimodalité, dans la distribution des réponses à travers une population de cellules. 77 L'hétérogénéité est détectée lorsque la distribution obtenue à partir de 12 à 15 mesures répétées de populations de petites cellules est plus large que prévu à partir d'un simple échantillonnage et d'une erreur de mesure (figure encadré 1b). 78 En appliquant cette approche, Bajikar et al. ont utilisé les données d'expression génique des puces à ADN provenant d'échantillons de 10 cellules 78 et l'inférence de vraisemblance maximale pour révéler un spectre étonnamment large d'états régulateurs unicellulaires dans les cellules épithéliales mammaires dans les structures acineuses. Certains de ces états régulateurs étaient courants (�% des cellules dans chaque structure acinaire), d'autres états étaient rares (seulement 𢏁 sur 40 cellules) 79 et donc n'avaient pas été observés ou décrits auparavant. Les hétérogénéités unicellulaires dans l'expression des gènes peuvent donc être déconvoluées à partir d'expériences basées sur la population en utilisant des modèles de données statistiques des distributions de mesure attendues.

En conclusion, lorsqu'ils comparent les résultats des simulations et des expériences, les modélisateurs informatiques doivent se demander : les données sont-elles semi-quantitatives, quantitatives ou qualitatives ? Les données fournissent-elles des informations sur une seule cellule ? Si oui, fournissent-ils des informations sur la dynamique unicellulaire ? Tout type de mesure peut être utile, mais la connaissance de son contenu informatif permettra au modélisateur de comparer les données avec les résultats de modélisation appropriés. Un dernier point que nous n'avons pas encore abordé est que pour prédire avec précision les résultats expérimentaux, nous devons comprendre, avec précision, quelle activité chaque test mesure. Pour revenir à notre exemple d'activation de caspase discuté dans la section précédente, il faut savoir : (1) si le test mesure l'activité d'une caspase spécifique ou s'il s'agit d'une mesure de l'activité totale de la caspase (même les substrats « spécifiques à la caspase » ont tendance à avoir une réactivité croisée avec d'autres caspases), 46 et (2) si le test mesure le clivage de la caspase, l'activité de la caspase ou le produit de clivage de la caspase accumulé. Par exemple, il est connu que la poly (ADP-ribose) polymérase clivée, un produit de l'activité de caspase effectrice, est relativement stable et peut donc perdurer comme preuve d'une activité de caspase passée. En revanche, la caspase-3 clivée elle-même est relativement instable, et les preuves de son activation peuvent disparaître avec le temps si elles sont surveillées uniquement via l'abondance de la caspase-3 clivée. En fait, la modélisation a prédit, et les expériences validées, que la courte demi-vie de la caspase-3 est importante pour la dynamique de la mort cellulaire : si l'on supprime le domaine E3 ubiquitine ligase de XIAP responsable du marquage de la caspase-3 pour la dégradation, les cellules peuvent perdre la dynamique de mort cellulaire « action instantanée » et peut survivre avec des protéines et un ADN endommagés. 8 Tout aussi crucial que la comparaison des moyennes de population avec les moyennes de simulation et la comparaison d'ensembles de données à cellule unique avec des ensembles d'instances de modèle unique, l'appariement précis d'entités mesurées et modélisées est essentiel au développement de modèles de haute qualité.


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Points de vue

Les protéines BH3 uniquement sont essentielles pour initier l'apoptose par la voie mitochondriale. Élucider quelles protéines pro-apoptotiques uniquement BH3 sont essentielles pour tuer les cellules malignes par des agents anticancéreux conventionnels et ciblés peut fournir des informations précieuses sur les raisons pour lesquelles certaines thérapies réussissent chez certains patients mais échouent chez d'autres. À l'ère des mimétiques de la BH3, ces connaissances permettront d'adapter l'utilisation de la thérapie combinée rationnelle et d'augmenter l'efficacité thérapeutique tout en limitant les dommages collatéraux aux tissus normaux.


Points de vue

L'écran LCD a longtemps été négligé en tant que mode de mort cellulaire régulée. Néanmoins, sa régulation et ses liens étroits avec d'autres voies de mort cellulaire commencent enfin à émerger. Comme discuté ci-dessus et examiné ailleurs (Boya et Kroemer, 2008 Česen et al., 2012 Kirkegaard et Jäättelä, 2009 Yamashima et Oikawa, 2009), le LCD a des fonctions physiologiques importantes, et il contribue à de nombreuses maladies dégénératives et infectieuses (voir Poster). Néanmoins, il pourrait fournir une stratégie alternative pour le traitement des cancers résistants à l'apoptose et multirésistants (Groth-Pedersen et Jaattela, 2010 Kallunki et al., 2012 Kreuzaler et Watson, 2012). Cependant, une grande quantité de recherche fondamentale est encore nécessaire pour amener nos connaissances sur la régulation complexe de la stabilité lysosomale à un niveau permettant la conception optimale de thérapies de ciblage LCD.


Comment les protéines caspases tuent-elles une cellule ? - La biologie

Suicide et homicide : apoptose et nécrose

Si la mort cellulaire programmée peut être considérée comme un suicide dans lequel les cellules se tuent dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, la nécrose peut être considérée comme un homicide. Le tueur est une température élevée, un faible taux d'oxygène, une carence nutritionnelle ou d'autres facteurs physiques ou chimiques. Quant aux cellules internes, le suicide et l'homicide sont évidemment différents notamment par la morphologie (voir ci-dessous).

Dans le cytoplasme de l'apoptose, le noyau et les membranes changent avec la variation des facteurs biochimiques et physiques. Au stade précoce de l'apoptose, les cellules se dilatent et se retournent, se détachent avec les cellules adjacentes et rétrécissent. Dans le cytoplasme, le réticulum endoplasmique se dilate et se transforme en vacuole. Dans le noyau, la chromatine se condense en croissant autour des membranes nucléaires et devient plus basophile. Finalement, le noyau se fissure en fragments enveloppés par des membranes nucléaires. Sur les membranes cellulaires, les cellules se détachent et les membranes deviennent plus actives et s'invaginent. Ces changements conduisent à la conversion de cellules intactes en corps apoptotiques contenant des ingrédients cellulaires fragmentés. Dans des conditions physiologiques, certaines réactions régulatrices se produisent sur les membranes cellulaires qui induisent des corps apoptotiques reconnus et digérés par les phagocytes sans provoquer de réponses inflammatoires.

L'autophagie est un processus dans lequel une partie du cytoplasme et des organites subissent une série de dégradations dans les lysosomes. Il se caractérise par le fait que les phagosomes se forment dans de petites vacuoles, que le RE se disperse et que le chromosome se condense modérément. Bien que le cytosquelette se désagrège dans l'autophagie, la dégradation du cytosquelette est moins évidente que celle qui s'est produite dans l'apoptose.

La nécrose conduit à l'expansion des organites comme les mitochondries, des ruptures de membranes et une perte sévère d'ingrédients cellulaires avec des réponses inflammatoires dans les tissus environnants. Dans certains cas, il est facile de distinguer l'apoptose et la nécrose. Cependant, dans certains cas, il est presque impossible de s'assurer que les cellules se tuent ou sont tuées, car les cellules mourantes ont des caractéristiques à la fois d'apoptose et de nécrose.

Mécanisme : voies de transduction du signal

Comme tout autre mécanisme de biologie moléculaire, le mécanisme de l'apoptose est compliqué et implique de nombreuses molécules. Comme il est généralement admis, il existe deux styles d'apoptose : l'apoptose induite par les récepteurs de la mort ou l'apoptose induite par des facteurs extracellulaires, et l'apoptose induite par les mitochondries ou l'apoptose induite par des facteurs intracellulaires. Bien que les événements en amont des deux styles d'apoptose soient différents, ils conduisent tous deux à l'activation des caspases. Dans les cellules normales, l'apoptose est strictement contrôlée et les caspases sont dans un état pro-enzyme non activé. Lorsque les caspases sont activées, ce qui représente le début de l'apoptose, il se produit les réactions en cascade et déclenche l'apoptose irréversible.

Il fait référence au fait que certains ligands de mort (par exemple, les ligands Fas, TNF-α et TRAIL) interagissent avec les récepteurs de mort à la surface cellulaire (par exemple, les membres de la super famille du TNF [tumor necrosis factor]) pour induire l'apoptose. Différentes voies de signalisation activées par différents récepteurs de mort sont similaires. La liaison des récepteurs et des ligands conduit à la génération de céramide. La libération de céramide est alors envisagée pour accélérer la fusion des radeaux lipidiques et regroupe les récepteurs de mort. On pense que cette agrégation amplifie le signal de l'apoptose. Bien que dans certaines cellules telles que les lymphocytes, l'agrégation des récepteurs ne se produise pas, elle déclenche l'apoptose. Dans la plupart des cas, l'amplification des voies de transduction du signal est nécessaire pour activer un processus d'apoptose typique.

Après liaison avec des ligands, un récepteur effectue un changement de conformation et le "domaine de mort" s'expose. En même temps, différentes protéines d'apoptose sont recrutées. Ce complexe protéique est appelé DISC (complexe de signalisation induisant la mort). Enfin, il recrute un type spécifique de caspases, normalement précurseur de la caspase-8, et conduit à l'activation de la caspase-8 et à l'initiation de l'apoptose.

La liaison du TNF-α au TNF Receptor-1 conduit à la tripolymérisation et à l'agrégation intracellulaire des domaines de mort. Après le changement de conformation, le TNF R-1 recrute une protéine adaptatrice appelée TRADD (TNFR-related death domain). TRADD recrute alors plus de protéines différentes telles que TRAF 2 en aval (facteur 2 associé au TNF), et active les voies de signalisation NF-κB et JNK. TRADD peut se lier à FADD (Fas-associated death domain protein) et recruter le précurseur de la caspase-8 via des interactions protéine-protéine et former le complexe DISC. Au cours du processus de formation de DISC, les précurseurs de la caspase-8 se brisent en caspase-8 active qui est ensuite libérée dans le cytoplasme et déclenche des réactions en cascade en aval. La voie d'apoptose FADD peut être inhibée par FLIP(Flice-inhibitory protein). FLIP est analogue à la caspase-8 et manque d'activité protéolytique. Il peut déprimer l'apoptose en inhibant l'interaction du FADD et du précurseur de la caspase-8.

La voie par laquelle les ligands de Fas (FasL ou CD95) activent l'apoptose est similaire à celle du TNF. La liaison des ligands accélère l'agrégation des récepteurs, la formation de DISC et l'activation des réactions en cascade des caspases. Cependant, la voie de signalisation du récepteur Fas est plus simple. La protéine adaptatrice FADD se lie directement au domaine de mort du récepteur Fas, sans présence de TRADD. Les récepteurs Fas semblent fonctionner uniquement en apoptose, contrairement aux récepteurs du TNF qui participent également à d'autres voies de signalisation. De même, ce processus peut être inhibé par FLIP.

Dans les cellules qui répondent à Fas, les cellules de type telles que les thymocytes, la caspase-8 sont suffisamment activées par Fas et conduisent à l'apoptose. Dans ces cellules, un niveau élevé de Bcl-2 ne peut pas inhiber l'apoptose induite par Fas. Dans les cellules de type telles que les hépatocytes, la caspase-8 n'est pas suffisamment activée par Fas, les signaux d'apoptose dans ces cellules doivent donc être amplifiés via les mitochondries d'apoptose. La caspase-8 activée mène un clivage de Bid cyplasmique et le transforme en tBid (Bid tronqué). tBid entre dans les mitochondries et libère le cytochrome C qui amplifie ensuite les signaux d'apoptose.

Dans de nombreuses cellules, TRAIL (ligand induisant l'apoptose liée au TNF) peut se lier aux récepteurs DR4 et DR5 et déclencher une apoptose rapide. Curieusement, certains récepteurs leurres rivalisent avec DR4 et DR5. These decoy receptors are called DcR1 and DcR2. Both of them can bind to TRAIL ligands and do not trigger apoptosis, because DcR1 doesn't have intracellular domain and the death domain of DcR2 is truncated for that four of the six amino acids which are necessary for recruiting the adaptor proteins are missed.

NF-κB is an inhibitor of apoptosis. Typically, NF-κB binds inhibitor IkB which presents in cytoplasm. With inducement of TNF, IkB is phosphorylated and then degraded via ubiquitin pathway. Free dimer of Nf-κB is released and transferred to nucleus. NF-κB induced series of expressions of genes such as FLIP, cIAP1 and cIA2 etc. and the products of expressions inhibit apoptosis. Apoptosis inhibitor XIAP (X-chromosome-linked IAP) is also mediated by NF-κB. XIAP inhibits caspase-3 and caspase-7 by binding to the end of NH2 with its BIR domain, thus inhibits apoptosis.

Intracellular factors induced apoptosis is the major cell death pathway in vertebrate. It can be activated by various factors such as retreat of growth factor, activation of heat shock genes, DNA damage, reactive oxygen, excessive intracellular calcium ion and other stress reactions. These factors result enhanced permeability of mitochondrial outer-membrane and release of apoptosis-inducing proteins such as apoptosis inducing factor (AIF), cytochrome C, Smac/DIABIO etc. The release of cytochrome C from the mitochondria doesn't depend on decline of mitochondrial surface potential or enhancement of the permeability of outer-membrane. Smac /DIABIO is an inhibitor of apoptosis-inhibitor protein XIAP. AIF is independent of caspase pathway, and induce apoptosis, too. It is transferred into nucleus after entering in cytoplasm. Probably with endonuclease G, AIF induces condensation of chromatin and fragmentation of high-molecular weight DNA (50kb).

It is key event in apoptosis that cytochrome C is released from intracellular mitochondria. Once cytochrome C is released to cytoplasm, it binds to Apaf-1 molecule which is an apoptosis activator, then they recruit precursor of caspase-9 to form a multi-protein complex called apoptosome. Activated caspae-9 then leads to downstream activation of caspase-3 and caspase-7.

The increase of permeability of mitochondrial outer-membrane is due to the changes of permeability transition pore (PTP) or activation of apoptosis activator in Bcl-2 family. PTP complex consists of voltage dependent anion channel on mitochondrial outer-membrane, adenine nucleotide transferase on mitochondrial inner-membrane and cyclophilin D in mitochondrial matrix. High level calcium ion induces the open of the PTP which then leads to diffusion of water and 1.5 kD solute molecule from cytoplasm to mitochondrial matrix, then causes expansion of mitochondria and disintegration of the trans-membrane potential. The other mechanism that induces the increase of the permeability of mitochondrial outer-membrane refers to Bcl-2 family.

There are two groups of proteins in Bcl-2 family: Bcl-2 and Bcl-XL are apoptosis inhibitors Bad, Bax and Bid are apoptosis-inducing proteins. Cells' susceptibility to apoptosis depends on the balance of the two groups of proteins. When apoptosis-inducing proteins are more, cells tend to be susceptible to apoptosis. On the contrast, when apoptosis inhibitors are dominant, cells tend to have resistance. Excessive Bcl-2 on mitochondrial surface is thought to be the key point of PTP's formation.

Apoptosis-inducing proteins of Bcl-2 family spread all over the cytoplasm and are sensors of any cell damage or stress. When cell stress occurs, they transfer to locations of apoptosis inhibitors on mitochondrial surface. Their interactions disturb the functions of apoptosis inhibitors and leads to the formation of PTP complex and release of other molecules. Then apoptosome is generated and cascade reactions of caspases are activated.

Bid is the linkage of death receptors and mitochondria pathway. Bid exists in cytoplasm with an unactivated state, and transfers to mitochondrial membranes after being activated. Then Bid antagonizes the apoptosis inhibitors of Bcl-2 to induce apoptosis. In some types of cells, Bid is cut into activated tBid by caspase-8 after being activated by death receptors. tBid then binds to the mitochondrial membranes and interacts with Bax, making Bax inserted in the membranes and oligomerized. Mitochondrial membranes turn more permeable, and cells get into apoptosis program. Bcl-XL can inhibit the combination of tBid and Bax and thus inhibit apoptosis. Moreover, Bid can be activated by other enzymes such as granzyme B and protease in lysosome.

Executants in apoptosis process:

Caspases are major executants in apoptosis. They are cysteine protease with presence of inactive state in cells. During apoptosis these pro-enzymes are cut into active enzymes. Extracellular factors induced apoptosis leads to activation of caspase-8 or caspase-10. These caspases activate other caspases in cascade reactions. The cascade reactions eventually lead to activation of effective caspases such as caspase-3 and caspase-6. Effective caspases cleave important intracellular proteins like cytoskeletal proteins and causes morphologically changes of cells.

Caspase-3 is considered to be the most important executant. It is activated by upstream caspases (caspase-8, caspase-9 or caspase-10). Caspase-3 specifically activates endonuclease CAD (caspase activated DNase). In proliferating cells, CAD normally combines with ICAD (an inhibitor of CAD) to form an inactive complex. In apoptosis, ICAD is cut by caspase-3 and release CAD, followed by rapid fragmentation of DNA.

Other than death receptors, there are other mechanisms that can activate cascade reactions of caspases. Granzyme B can be transported into cells by cytotoxic T lymphocyte and directly activate caspase-3, caspase-7, caspase-8 and caspase-10. Mitochondria is important regulator of caspase-cascade reactions and apoptosis. Released cytochrome C from mitochondria leads to activation of caspase-9, and caspase-3. This process is mediated by formations of apoptotic bodies.

PARP (Poly Adp Ribose Polymerase) is the first substrate of caspases that has been identified. PARP catalyzes production of ADP-ribose via which it binds to DNA cracks and modifies nuclear proteins, and it means PARP participates in the repairment of DNA damage. Caspase-3 can cut PARP and stop its repairing function. Lamin is a nuclear protein that is capable of sustaining shapes of nucleus and regulating interactions of chromatin and nuclear membranes. The degradation of lamin by caspase-6 will lead to condensation of chromatin and fragmentation of nucleus.

In spite always we focus on apoptosis and caspases, they can't represent everything in field of apoptosis. There are other enzymes that are important in executing programed cell death including calpain, cathepsin, endonuclease and some other protease. They function alone or cooperatively with assistance of some organelles like mitochondria, lysosome and ER. More attentions should be paid on factors other than caspases in order to find effective therapeutic solutions for curing diseases like cancer.


What is a Caspase? (avec photo)

A caspase, or cysteine aspartate-specific protease, is one of a group of enzymes involved in cell death. Each types has a particular role in cell death, or apoptosis, as it is technically known. Caspases are proteins that cut, or cleave, other proteins at a specific point.

There are 14 human caspases. Each enzyme can be placed into one of three groups, depending on the job it does. Caspase 2, 8, 9 and 10 are activator enzymes. They begin the process of apoptosis by cleaving and activating other caspases.

The group known as the executioner group has three members, Caspase 3, 6 and 7. Executioner versions cut cellular proteins to break down the cell. Members of the third group are known as cytokine processors. This group contains the seven remaining caspases, and they signal the immune system to start the process of inflammation to clean up the bits of dead cell.

These enzymes are known as cysteine aspartate-specific proteases because each one cuts another protein at a specific site. All proteins are made up of a sequence of amino acids, and caspases cut proteins after an aspartate amino acid. Each type recognizes the proteins it is supposed to cut by reading the three amino acids present in the sequence before the aspartate.

Caspases are present in each cell in inactive forms known as zymogens. When other molecules, called death receptors, in the cell signal to the activator caspases that apoptosis is to begin, the zymogen activator caspases are cleaved and activated. The activators begin what is called the caspase cascade, during which different caspases activate each other when necessary. The cascade can also be activated by molecules released from the mitochondria of the cell or by the enzyme Granzyme B, which is released from cell-killing T-cells.

The caspases cleave the structural proteins of the cell to break it down. For example, Caspase 6 breaks down laminins, the structural proteins of the nucleus. They do not just destroy proteins sometimes they affect other cellular enzymes.

Caspase 3 cleaves a complex that is normally inactive in the cell, releasing a deoxyribonuclease (DNAse) enzyme. This Caspase-Activated DNAse (CAD) breaks DNA into pieces. It also prevents an enzyme involved in DNA repair, poly ADP-ribose polymerase (PARP), from repairing the DNA damage. To do this, the caspase cleaves the PARP enzyme, rendering it inactive.


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