Les membres de la famille de protéines BCL-2 se distinguent par la présence de jusqu’à quatre domaines d’homologie BCL-2 différents (désignés BH1–4).6 De manière générale, ceux qui contiennent les quatre domaines (BCL-2, BCL-xL et MCL-1) sont antiapoptotiques, tandis que ceux qui en contiennent moins sont proapoptotiques (Figure 2). Le groupe proapoptotique peut être divisé en deux groupes, multidomaines ou membres BH123 tels que BAX et BAK, et protéines BH3 uniquement, y compris BID, BIM et PUMA, entre autres. Les protéines BCL-2 proapoptotiques multidomaines, BAX et BAK, sont exprimées de manière constitutive et n’induisent la MOMP qu’à la suite de stimuli apoptotiques, ce qui suggère qu’elles sont inactives dans les cellules non apoptotiques.7, 8 L’activation par certaines protéines BH3 uniquement est nécessaire pour que BAX ou BAK s’oligomérise et s’insère de manière stable dans l’OMM, une condition préalable importante pour le MOMP (contrairement au BAX cytosolique, le BAK est constitutivement mitochondrial; mais comme BAX, s’insère dans la membrane uniquement lors de l’activation). Korsmeyer et ses collègues ont démontré que les cellules de souris dépourvues de bax et de bak sont résistantes à un large éventail d’insultes proapoptotiques, ce qui souligne l’importance de ces protéines dans la voie mitochondriale.9 Ceci est également mis en évidence par des études récentes sur des cellules à double knockout bax/bak dépourvues de facteurs de croissance où la survie est maintenue par une autophagie marquée en raison de l’absence de MOMP.10 Cela suggère que lorsque la perméabilisation est inhibée, les cellules réagissent en maintenant un niveau de survie minimal à sauver en cas de facteur de croissance ou de ré-ajout de nutriments. Ainsi, en l’absence de multidomaines, et donc de MOMP, le programme cellulaire par défaut est de maintenir la viabilité.

Afin d’induire la mort, les protéines multidomaines proapoptotiques doivent être activées par les protéines BH3 uniquement (Figure 3a). Une hypothèse a récemment émergé selon laquelle les membres de la famille de protéines BH3 uniquement peuvent être divisés en deux groupes distincts: les « activateurs directs » qui activent directement BAX ou BAK (Figure 3b), et les « dé-répresseurs » (ou « sensibilisants ») qui permettent d’activer BAX ou BAK en séquestrant les protéines antiapoptotiques telles que BCL-xL ou MCL-1 et en permettant la libération ultérieure d’activateurs directs précédemment inhibés (Figure 3c).7, 11 Les preuves suggèrent que les protéines BH3 uniquement, BID et BIM, agissent en s’associant à BAX et BAK, mais cela semble être transitoire car il n’est pas détectable en l’absence de détergent. Pourtant, les protéines antiapoptotiques, BCL-2, MCL-1 et BCL-xL, inhibent cette interaction en se liant à BID et BIM. Les autres membres de la famille BH3 uniquement (par exemple, Noxa, BMF, HRK, BAD et BIK) ne peuvent pas activer directement BAX et BAK, mais peuvent se lier à BCL-xL, BCL-2 et / ou MCL-1 à divers degrés. Le modèle activateur/dépresseur direct suggère que ces dernières protéines libèrent BID et BIM de leurs partenaires antiapoptotiques permettant l’activation de BAX et BAK de manière indirecte. Cependant, une autre interprétation de ces résultats est que les protéines BH3 uniquement fonctionnent pour antagoniser les membres de la famille BCL-2 antiapoptotiques, plutôt que d’engager BAX ou BAK.12 Cette notion explique pourquoi des combinaisons des protéines BH3 uniquement sont nécessaires pour induire la mort cellulaire car chacune démontre une sélectivité dans la liaison des cibles prosurvivales. Il est important de noter que la majorité de la littérature sur les protéines BH3 uniquement est basée sur des données dérivées en utilisant uniquement le peptide BH3 de la protéine correspondante et non sur une protéine biologiquement pertinente complète. Semblable à une protéine BH3 uniquement, p53 peut fonctionner pour activer directement BAX, alors qu’il a également été décrit pour se lier à BCL-xL et BCL-2 de manière similaire à une protéine de dé-répresseur BH3 uniquement.13, 14, 15 Fait important, comme seules trois protéines activatrices directes ont été décrites (BID, BIM et p53), d’autres protéines peuvent également avoir cette ou ces fonctions.

Ainsi, il semble y avoir une série de freins et contrepoids dans le cytosol où l’activation des protéines multidomaines proapoptotiques nécessite non seulement une protéine BH3 uniquement activatrice directe, mais aussi la répression de l’antiapoptotique Les membres de la famille BCL-2 par des protéines supplémentaires uniquement BH3 (peut-être également par une régulation négative de la transcription ou une dégradation accrue des protéines). Alors, qu’est-ce qui constitue l’étape d’engagement qui, une fois franchie, aboutira au MOMP? Est-ce l’activation de BAX / BAK ou l’induction de la fonction protéique BH3 uniquement? Les protéines BH3 uniquement s’activent en réponse à différents stimuli spécifiques à chaque membre de la famille, et leurs régulateurs servent donc de « capteurs » primaires pour le stress cellulaire. BID est activé lors du clivage par la caspase-8, le granzyme B et plus faiblement par la caspase-2 et -3 et est engagé en réponse à la stimulation des récepteurs de la mort, à la destruction cytotoxique des lymphocytes T et au choc thermique, respectivement.16, 17, 18, 19, 20, 21 Le BIM, quant à lui, est maintenu inactif dans la cellule par liaison à la chaîne légère dynéine-1 (DLC1) et ne peut activer plusieurs domaines qu’à la libération du cytosquelette.22 D’autres protéines uniquement BH3 telles que BAD sont activées par déphosphorylation, tandis que le PUMA et le Noxa sont régulés transcriptionnellement à la hausse par le p53 et d’autres stimuli proapoptotiques.23, 24 En présence de protéines BCL-2 antiapoptotiques, l’activation d’une protéine BH3-uniquement activatrice directe n’est généralement pas considérée comme suffisante pour induire la MOMP car elle sera séquestrée par des protéines antiapoptotiques, et donc une ou plusieurs des protéines BH3-uniquement dé-répressives sont également nécessaires. Il est donc probable que les mêmes stimuli qui activent BID ou BIM activent également des protéines collatérales de dé-répresseur BH3 uniquement. Par exemple, le BMF se lie également aux complexes moteurs de la myosine (DLC2) et peut donc détecter des modifications cytosquelettiques similaires à celles du BIM.25 Cependant, l’activation des protéines BH3 uniquement n’est probablement pas suffisante pour garantir que chaque cellule initiera la MOMP. C’est certainement le cas dans de nombreux cancers humains où la BCL-2 est surexprimée conférant une résistance à la chimiothérapie.26 Il est probable que plusieurs cascades de signalisation sont nécessaires pour initier la MOMP, peut-être grâce aux efforts combinés de régulation transcriptionnelle et de modification post-traductionnelle complexe (clivage, phosphorylation, etc.). Compte tenu de la complexité et de l’irréversibilité du MOMP, nous suggérons que l’activation effrénée du BAX ou du BAK est l’engagement ultime en faveur de la mort cellulaire.

MOMP : (Comment) Les Mitochondries Sont-Elles Vraiment Impliquées ?

Par définition, le MOMP se produit dans l’OMM, mais cela ne nous permet pas d’expliquer comment il se produit. Il existe différentes façons dont les mitochondries peuvent réguler leur propre perméabilisation et celles-ci proviennent de l’IMM ou de l’OMM.

La membrane interne

La membrane interne peut provoquer ou contrôler la MOMP par implication du pore de transition de perméabilité mitochondriale (mPT).27 Le pore mPT est un complexe composé de plusieurs protéines différentes, dont VDAC (canal anionique voltage-dépendant), ANT et cyclophiline D (cypD), qui couvrent les IMM et les OMM où ANT est sur la membrane interne et VDAC sur la membrane externe (Figure 4a). L’ouverture de ce pore permet un afflux d’ions et d’autres petites molécules dans la matrice mitochondriale provoquant un gonflement de la matrice, induisant une rupture de l’OMM et donc de la MOMP. Le pore mPT a été impliqué comme étant responsable de la MOMP dans certains scénarios, y compris des conditions de stress ER ou ROS. Il a été proposé que pendant l’apoptose induite par le stress de l’ER, le Ca2+ est libéré de l’ER et est absorbé par les mitochondries entraînant la libération du cytochrome c et l’apoptose. La libération de cytochrome c induite par le Ca2+ par les mitochondries semble se produire en l’absence de BAX et de BAK (bien que BAX et BAK puissent fonctionner pour contrôler la libération de Ca2 + par ER), ce qui suggère une implication des pores du mPT.28 Cependant, dans des conditions physiologiques, la quantité de calcium libérée par l’ER n’est pas suffisante pour induire la mPT dans les mitochondries, ce qui conduit à supposer que la mPT induite par le Ca2 + se produit dans les mitochondries proximales de l’ER. Si c’est le cas, le MOMP ne devrait se produire dans ces contextes que dans un petit sous-ensemble de mitochondries, une prédiction qui n’est pas étayée par des observations directes de la libération du cytochrome c29,30 (observations non publiées).

Récemment, un certain nombre de modèles génétiques ont remis en question l’importance de la mPT en tant qu’inducteur général de la MOMP. La FOURMI semble être dispensable car les souris dépourvues de FOURMI peuvent encore subir une mPT, alors que les cellules dépourvues de cypD (donc sans mPT) n’ont montré aucune différence dans les formes d’apoptose induites par le Ca2+ ou diverses autres formes d’apoptose, bien que la nécrose induite par le Ca2+ soit défectueuse.31, 32, 33 Ces résultats des souris Ppif KO (le gène codant le cypD) suggèrent que la mPT peut ne pas être nécessaire lors de l’apoptose (dans la plupart des cas au moins) et se produit lors de l’ischémie et de la nécrose induite par le ROS; cependant, le rôle et le mécanisme de la mort restent inconnus.31 De plus, comme le mPT est très sensible à la température, la libération coordonnée du cytochrome c à différentes températures s’oppose à toute sorte de réaction en chaîne du mPT.5, 29 Prises ensemble, ces données suggèrent que le pore mPT, bien qu’important pour la mort nécrotique, peut ne pas être nécessaire pour la MOMP qui survient pendant l’apoptose mitochondriale (Figure 4a).

La membrane interne peut alternativement contrôler le MOMP en régulant l’OXPHOS (phosphorylation oxydative), qui à son tour régule le potentiel transmembranaire mitochondrial (Δψm).34 Le maintien de Δψm est nécessaire pour une variété de fonctions mitochondriales, y compris l’importation de protéines, la production d’ATP et la régulation du transport des métabolites. L’apparition de la MOMP est souvent associée à une perte de Δ ψM, mais cette perte de Δ ψM induit-elle la MOMP ou résulte-t-elle de la MOMP? La perturbation de Δψm causée par une réduction incomplète de l’oxygène moléculaire pendant l’OXPHOS conduit à la génération de ROS qui déclenche la MOMP, mais cela peut se produire via une interaction de ROS avec des capteurs cytosoliques encore non identifiés. En effet, les ROS générés lors de l’apoptose sont souvent causés par le clivage caspase-dépendant d’une sous-unité du complexe I de la chaîne respiratoire et peuvent donc être un sous-produit de la MOMP plutôt que causal.34, 35 Dans le cas contraire, il n’y a aucune preuve convaincante que la perte de Δψm induit directement le MOMP, et l’OXPHOS peut clairement se poursuivre après le MOMP car, en l’absence d’activation de la caspase, non seulement peut-elle être régénérée, mais les cellules peuvent également maintenir la production d’ATP.34, 35, 36

La membrane externe

Des preuves convaincantes que la membrane interne (et même la matrice) n’est pas nécessaire pour le MOMP et que le MOMP n’exige que l’OMM ont été fournies par Kuwana et al.8 En utilisant une approche réductionniste pour disséquer les besoins en MOMP, ils ont démontré que les vésicules unilamellaires constituées des lipides présents dans la membrane mitochondriale libèrent leur contenu en présence de BAX activé. L’utilisation de liposomes définis et de protéines recombinantes de la famille BCL-2 peut ici représenter des mitochondries « simplifiées », suggérant que la seule exigence mitochondriale pour la libération de protéines de l’espace intermembranaire est la cardiolipine, un lipide spécifique des membranes mitochondriales. Comme aucune autre protéine n’est nécessaire pour libérer le contenu des liposomes, ces observations favorisent un mécanisme de MOMP où le BAX activé (et/ou le BAK) forme un pore dans la membrane lipidique pour permettre la libération du cytochrome c. Cependant, ce système liposomique simplifié peut ne pas refléter avec précision la complexité du processus de perméabilisation tel qu’il se produit dans l’OMM natif et certains stimuli peuvent nécessiter des protéines OMM pour permettre la formation du pore BAX / lipidique. En l’absence de détergent, BAX nécessite des membranes (liposomes ou mitochondries contenant des cardiolipines) pour s’oligomériser et s’activer, et les preuves suggèrent que BCL-xL inhibera BAX uniquement en présence de membranes lipidiques similaires.8 Cependant, l’importance de la cardiolipine dans ce processus est également controversée. Dans la levure, la cardiolipine ne semble pas être nécessaire pour la mort induite par le BAX.37 De plus, la présence ou la quantité exacte de cardiolipine dans l’OMM n’est pas connue et elle peut être présente, au mieux, à des niveaux très faibles. Des expériences de coloration par immunogold suggèrent que la cardiolipine dans la membrane externe est concentrée aux points de contact entre l’IMM et l’OMM où il est proposé de lier BAX / BID, et peut-être que la concentration locale de cardiolipine à ces sites peut être suffisamment élevée pour permettre la liaison de ces protéines.38, 39 Alternativement, il peut y avoir des protéines OMM qui concentrent la cardiolipine, permettant l’insertion de BAX et / ou de BAK activés dans l’OMM pour médier la MOMP.

Il existe deux autres niveaux de régulation potentielle dans le contexte physiologique d’une OMM intacte (Figure 4b). Premièrement, les protéines associées à l’OMM, en plus des membres de la famille BCL-2, peuvent réguler directement la MOMP; et deuxièmement, peut-être que des protéines supplémentaires associées à l’OMM, également en plus des membres de la famille BCL-2, participent à la MOMP mais ne régulent pas le processus. Par exemple, de nombreuses protéines qui ont été décrites pour réguler le pore mPT ont également des prétentions à participer en plus au MOMP. C’est là qu’une différence subtile, et peut-être un aspect négligé de MOMP se pose. Bien qu’il existe de nombreuses protéines dans l’OMM, la plupart d’entre elles ne sont pas nécessaires pour que BAX ou BAK perméabilise les mitochondries. Les vésicules membranaires externes préparées à partir de mitochondries perméabilisent lors du traitement par la tBID similaire aux mitochondries intactes; cela doit être indépendant de la fonction poreuse mPT car celles-ci sont dépourvues de constituants de la membrane interne mitochondriale.8 Pourtant, plusieurs protéines au niveau de l’OMM sont spéculées pour réguler la perméabilisation médiée par BAX ou BAK en raison d’une association démontrée avec ces dernières protéines. Par exemple, BCL-2, BCL-xL, BAK et BAX se lient tous à VDAC, bien qu’il soit à noter que VDAC étant la protéine la plus abondante de l’OMM, la liaison peut ne pas être physiologique.40, 41, 42, 43 Plus précisément, Korsmeyer et ses collègues ont suggéré que VDAC2 inhibe l’activation du BAK en maintenant le BAK comme monomère dans l’OMM (Figure 4b).44 Bien que cela puisse être le cas, VDAC2 peut ne pas prendre la décision d’activer ou d’inactiver BAK car dans ce scénario, c’est une réponse du signal cytosolique au stress cellulaire, très probablement une protéine BH3 uniquement, qui perturbe l’association VDAC2-BAK.44

De même, il a été suggéré que le récepteur périphérique des benzodiazépines (PBR) bloque le MOMP.45, 46 Cette protéine membranaire intégrale interagit fonctionnellement avec le pore mPT et est un inhibiteur suggéré de MOMP. Pourtant, les exigences pour la mort cellulaire ne changent toujours pas, le stress cellulaire et les protéines uniquement BH3 sont nécessaires, car une simple inhibition pharmacologique ou une perturbation de l’activité de la PBR ne sont pas suffisantes pour que les mitochondries diffusent un signal proapoptotique; et l’utilisation d’inhibiteurs peut certainement ne pas refléter les fonctions physiologiques de ces protéines.46 De telles protéines (par exemple, VDAC1/2 et PBR) peuvent s’associer à de nombreuses protéines BCL-2, mais le signal de MOMP ne peut pas provenir de l’intérieur des mitochondries; la cellule doit générer un message proapoptotique qui se transmet (stress → détection cellulaire → réponse cellulaire → activation des protéines BH3 uniquement → activation BAX/BAK → MOMP) à la surface mitochondriale pour réguler ces interactions.

Une description d’une telle situation de « feedforward » considère le rôle de l’AKT et de l’hexokinase I/II dans la prévention de la libération du cytochrome c dans certaines voies de survie. L’activité AKT semble être nécessaire pour équilibrer les besoins d’absorption du glucose et le transport ultérieur des métabolites à travers l’IMM et l’OMM en régulant directement l’expression et la localisation de l’hexokinase sur l’OMM.Il est intéressant de noter que l’activité AKT a augmenté la masse d’hexokinase à la surface des mitochondries, ce qui a démontré une influence considérable sur l’activité du canal VDAC.47 Lorsque les cellules ont été traitées avec des agents perturbant l’association hexokinase–mitochondries, la libération accélérée du cytochrome c n’a eu lieu qu’après un stress proapoptotique supplémentaire.47 En outre, une réduction de la translocation de BAX a été rapportée lors de cas d’association hexokinase–mitochondriale forcée pendant le stress.47 Ensemble, cela indique qu’une simple élimination de l’hexokinase de l’OMM n’est pas suffisante pour induire la MOMP car les cellules ne libèrent toujours pas de cytochrome c en l’absence de stress, et que le signal de recrutement de BAX dans l’OMM doit provenir de l’extérieur des mitochondries indépendamment de la participation de l’hexokinase.

Une autre classe majeure de protéines qui résident dans l’OMM est responsable de la dynamique mitochondriale: les protéines de fusion et de fission (Figure 4b). La dynamique mitochondriale est nécessaire à la distribution des mitochondries aux cellules filles après la mitose et garantit que l’intégrité mitochondriale est préservée lorsque les membranes mitochondriales se divisent et fusionnent.49 Il existe au moins quatre protéines OMM qui participent ou régulent potentiellement la MOMP : la DRP-1 (une GTPase liée à la dynamine), l’endophiline B1 (une transférase lipidique requise pour déterminer la courbure de la membrane), la Fis-1 (et la protéine OMM intégrale) et la Fzo1/Mfn1 (une grande GTPase transmembranaire).50

Jusqu’à présent, il a été décrit que BAX et BAK, lors de leur activation, fusionnent avec des foyers de scission mitochondriaux qui sont composés au minimum de DRP-1 et de mitofusine-2, et que BAX peut interagir physiquement avec l’endophiline B1 dans l’OMM; pourtant, les formes dominantes négatives de DRP-1, telles que la DRP-1K38A déficiente en GTPase, ne bloquent pas la translocation de BAX après activation par une protéine BH3 uniquement.51, 52, 53 Encore, le signal responsable de la promotion de la translocation de BAX vers l’OMM est généré en conséquence du stress cellulaire particulier (c’est-à-dire l’ensemble activé des protéines BH3 uniquement). Mais, quel est le but de l’interaction BAX / BAK avec cette classe de protéines? Ces protéines participent-elles simplement en tant que « points d’ancrage » pour BAX ou BAK, ou y a-t-il une régulation active de la MOMP impliquée? Lors de l’activation, BAX doit pouvoir cibler la membrane intracellulaire appropriée (c’est-à-dire l’OMM) afin d’engager la cascade apoptotique et ces protéines peuvent servir à « amarrer » BAX à l’OMM. Si elle est vraie, cette interprétation ne pourrait pas être étendue pour inclure BAK car elle réside constitutivement dans l’OMM. Pourtant, peut-être que les régulateurs de la dynamique mitochondriale (tels que DRP-1 ou Fis-1) ont évolué pour participer à la MOMP en dirigeant l’action de BAX et de BAK vers la région appropriée de l’OMM permettant leur activité de formation de pores. Dans ce scénario, l’interaction proposée ne sert pas elle-même à prendre la décision cellulaire d’induire le MOMP, mais elle est toujours nécessaire. Une interaction réciproque a également été rapportée où les membres antiapoptotiques de la BCL-2 ont favorisé le remodelage du réseau mitochondrial via une interaction mitofusine-2 qui a entraîné une fusion mitochondriale et une diminution de la sensibilité à la mort cellulaire.54 Dans ce scénario, il a été démontré que CED-9, le parent de Caenorhabditis elegans BCL-2, pouvait induire un regroupement mitochondrial. Une réorganisation mitochondriale similaire a également été induite par l’expression forcée de BCL-xL, suggérant que cette activité pourrait être une fonction conservée de la famille BCL-2.54

Un autre aspect potentiel de ce scénario concerne les besoins lipidiques spécifiques du BAX (et vraisemblablement du BAK) pour perméabiliser un OMM. Comme indiqué précédemment, les données in vitro suggèrent que BAX a besoin de cardiolipine pour s’oligomériser et engager une activité de formation de pores.8 Comme la cardiolipine se localise principalement dans l’IMM, la machinerie de fusion/fission régule-t-elle également la MOMP médiée par BAX en créant le milieu lipidique approprié aux sites de contact avec DRP-1 ou Fis-1? L’endophiline B1, une transférase lipidique, interagit avec le BAX et peut servir à redistribuer les lipides IMM aux sites de contact pour une activation efficace du BAX (et par extension, du BAK).55, 56 Si cette activité est requise, alors l’endophiline B1 peut servir de régulateur de bonne foi de la MOMP car sa fonction nécessaire peut elle-même être soumise à la dynamique et à l’énergétique mitochondriales. La question est de savoir si la régulation de l’endophiline B1 aide ou non à déterminer si et quand la MOMP se produira.