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Apoptose et pathologies du systeIne nerveux Olivier Terradillos. Jean-Claude Martinou Le systeme nerveuxestIe siege de nombreux processus de mort cel1ulalre qui peuvent etre sott physlologiques, solt pathologlques. La mort cel1ulaire peut se presenter sous plusleurs Visages. Le mieux connu d'entre eux est I'apop- tose, un type de mort cel1ulaire decrlt II y a ptus de 20 ans par Kerr et at. [16). D'autres types de mort cel1ulaire ont aussl ete decrltscomme la necrose ou la mort cel1ulaire par autophagle. La dtverslte des formes que peut prendre la mort cel1ulaire suggere rexistence de nombreux mecanlsmes moleculalres sous-jacents. Oans cette revue nous nous Iimiterons a retude de I'apoptose au cours du developpement du systerne nerveux et dans plusleurs patholo- gies cerebrates, 1. Mecanismes moleculcdres de l'apoptose Jusqu'a present trois acnvues biologiquesprlndpales, regroupees au seln de troIsfamiliesde protelnes, ont ete decrltes dans rapoptose : les protelnesde la famille BcI-2, les caspases et les protelnesde la famllle Apaf (apoptot/c pro- tease-adlvatlng fadon [1, 35, 43). Les protelnes de la famllle Bcl-2 sont-el1es memes repartles en deux classes: cel1es qui sauvent (BcI-2 et Bcl-x par exem- pie) et cel1es qui tuent (par exemple Bax et Bak) [15). Une desfonctlons prtn- clpales de ces protelnes est Ie contrOle de la permeablllte de ta membrane mitochondrlale [5). Alnsl, Bax et Bak peuvent lndulre une fulte de protetnes de respace Inter-membranalre dansIe cytoplasme tandis qu'aucontralre 8cl-2 et BcI-x rendent la membrane Impermeable aces protelnes, Le mecanisme d'adlon desprotelnesde la famille 8c1-2 demeureencoreInconnu.Toutefols, un falsceau d'arguments, dont une similitude structurale avec Ie domalne trans-membranaire de certaines toxlnes baderlennes (collclnes, toxlne dlph- tertque), lalssent penser que certains membres de cette famille (Bcl-2, Bel-x, Bax) pourralent fonctlonner en formant des canaux dans la membrane externe de la mltochondrie.II reste a determinersl ces protelnespeuvent for- mer des canauxde manlere autonome ou en association avecd'autres pro- telnescomme VOAC (voltage-dependent anion channen et ANT (adenine nucleo- tidetranslocaton, deux protelnes presentes dans les membranes externes et

Apoptose et pathologies du système nerveux

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Apoptoseet pathologies

du systeIne nerveuxOlivier Terradillos. Jean-Claude Martinou

Lesysteme nerveuxestIesiege de nombreux processus de mort cel1ulalre quipeuvent etre sott physlologiques, solt pathologlques. La mort cel1ulaire peutse presenter sous plusleurs Visages. Le mieux connu d'entre eux est I'apop­tose, un type de mort cel1ulaire decrlt II y a ptus de 20 ans par Kerret at. [16).D'autres typesde mort cel1ulaire ont aussl etedecrltscommela necrose ou lamort cel1ulaire par autophagle. La dtverslte des formes que peut prendre lamort cel1ulaire suggere rexistence de nombreux mecanlsmes moleculalressous-jacents. Oans cette revue nous nous Iimiteronsa retude de I'apoptoseau cours du developpement du systerne nerveux et dans plusleurs patholo­giescerebrates,

1. Mecanismes moleculcdres de l'apoptose

Jusqu'a present trois acnvues biologiquesprlndpales, regroupees au seln detroIs families de protelnes, ont ete decrltes dans rapoptose : lesprotelnesdela famille BcI-2, les caspases et lesprotelnesde la famllle Apaf (apoptot/c pro­tease-adlvatlng fadon [1, 35, 43). Les protelnes de la famllle Bcl-2 sont-el1esmemes repartles en deux classes: cel1es qui sauvent (BcI-2 et Bcl-x par exem­pie) et cel1es qui tuent (parexempleBaxet Bak) [15). Une desfonctlons prtn­clpales de ces protelnes est Ie contrOle de la permeabllltede ta membranemitochondrlale [5). Alnsl, Bax et Bak peuvent lndulre une fulte de protetnesde respace Inter-membranalre dansIecytoplasme tandis qu'aucontralre 8cl-2 etBcI-x rendent la membrane Impermeable aces protelnes, Le mecanismed'adlon desprotelnesde la famille 8c1-2 demeureencoreInconnu.Toutefols,un falsceau d'arguments, dont une similitude structurale avec Ie domalnetrans-membranaire de certaines toxlnes baderlennes (collclnes, toxlne dlph­tertque), lalssent penser que certains membres de cette famille (Bcl-2, Bel-x,Bax) pourralent fonctlonner en formant des canaux dans la membraneexternede la mltochondrie.II reste a determinersl ces protelnespeuvent for­mer descanauxde manlere autonome ou en association avecd'autres pro­telnescommeVOAC (voltage-dependent anion channen et ANT(adenine nucleo­tidetranslocaton, deux protelnes presentes dans les membranes externes et

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Apoptose en pathologie humaine

Internes desmitochondries respectivement (5). Ces canaux pourralent, seloncertains, etresuffisamment larges pour lalsser passer de grosses protelnes del'espace Inter-membranaire dansIe cytoplasme. Pourd'autres, l'ouverturedeces canaux s'accompagneralt d'une entree d'eau dans la mitochondrle,entrainant un gonflementpuisune rupturede samembrane externequllais­serait des protelnes de respace lnter-membranaire diffuser dans Ie cytosol.Parmi ces protelnes, on note Ie cytochrome c et Dlablo/Smac (7, 39) (deuxactivateurs des caspases) et AIF (apoptosls-Indudng fador) (36), une protelneresponsable du clivage de (,ADN. Le cytochrome c. une tots llbere dans Iecytoplasme, selie a Apaf-1 et ala pro-Caspase-9 en presence d'ATP, formantce qu'on appelle l'apoptosorne (21). Ce complexe aboutit a l'actlvatlon de laCaspase-9 qut a sontour active d'autres caspases chargees d'executer la cellule.

Outre Ie cytochrome c. la protetne mitochondrlaleDiablo/Smac, une foisnberee dans Ie cytoplasme, se lie aux protelnes lAP(inhibitor of apoptosls pro­tein) (29) qui sont des inhibiteurs naturels des caspases. En Inhibant la fone­tion des lAPs, Diablo/Smac contribuea l'actlvatlon descaspases (8, 40).

2. Deux voies de signalisation principalesde l'apoptose

Deuxvolesdeslgnalisation de I'apoptose sontmaintenantbien connues (12).Une vole est lnltlee par res recepteurs de la famille FaslTNF (tumour necrosisfador) et une autre, lndependante deceux-d, estactlvee par de nombreuxsti­muli dont la dexamethasone, l'irradlatlon par les rayons ultravlolets, la stau­rosporlne ou un deficit en facteurs de croissance. Lavole endencheepar lesrecepteurs de type Fas aboutit a I'activatlondescaspases avee ou sans inter­vention de la mitochondrie selon res typescellulalres. En revanche, iI sembleque la mitoehondrie soit toujours lrnpllquee dans les voles de slgnallsatlonlndependantes desrecepteurs de la famille de FasITNF.

3. L'apoptose physiologiquedu systeme nerveux

La mort cellulaire Intervlentau cours du developpement du systems nerveuxde la plupart desvertebres [13). Elle touche aussl bien les precurseurs neuro­naux dansla zonegerminativeque lesneurones post-mitotiques au momentou ceux-ci etabllssent desconnexions avecleurscibles. Lapremierevaguedemort eellulaire qul seproduit tresprecocement dansla zonegerminativesem­ble jouer un role majeur dans Ie developpernent du cerveau comme rontmontre les resultats obtenus chez des souris dont certains acteurs du pro­gramme de mort cellulaire ont ete Inactives. Alnsl, !'invalidation des genes

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codant pour les Caspase-B et -9 et pour I'Apaf-1 s'accompagne de troublesmajeurs du developpement du systeme nerveux dans lequel la proliferationanarchlque de neuroblastes aboutit a la formation d'une masse cerebrateInformesans ventrlcule[44). La deuxlerne vaguede mort cellulaire touche lesneurones post-mltotlques lorsque ceux-cI etabllssent des connexlons synap­tlquesavecleur cible. Durant cettephase, environ 50 % desneurones dege­nerent dans de nombreuses regions du systerne nerveux. On pense que lesneurones dependent pour leur survie de facteurs trophiques retrogradessecretes en quanttte timttee par lescellules qu'usInnervent.Parmi les neuro­nesen competition pour ces facteurs, seuls ceuxqul ont acces aune quantitesuffisante survivent tandis que lesautresmeurent.On peut en proteger unepartie grace a BcI-2. Ainsi, des souris transgenlques surexprimant BcI-2 per­dent beaucoup moins de neurones que la normale durant ternbryogenese[22), En consequence, ces souris disposent d'un cerveau legerernent hypertro­phle, contenant en moyenne 50 % de neurones en plus de la normaIe. Unphenotype similaireest presente par des sourisdont Ie gene de la proteinepro-apoptotlque Baxa ete delete [4). Mis en culture, les neurones sympathi­quesdu ganglion cervical superieur de ces souris survlvent en l'absence deNGF (nervegrowthjador) pendant plusteurs semaines alors qu'tls degenerentnormalement en 24 h. Les neurones moteurs de ces souris sont egalernentresistants apres lesion de leur axone 14). Bax joue done un rote primordialdansI'apoptosedes neurones induite par un deficit en facteurs neurotrophl­ques. Annverse, dessouris dont Ie genede la protelneanti-apoptotique BcI-xa ete Inactive meurent in utero au jour embryonnaire 13, et presentent uneperteanormalementetevee de neurones dansla moelle eplnlere, Ie cortexetlesganglionsdorso-rachidiens [231. En revanche, lessouris dont Iegenede laprotelne Bcl-2 a eteinactivene presentent pasd'anomaliesnotablesdu deve­loppement du systeme nerveux [381. Toutefois, leur esperance de vie est tresllrnlteeen raisond'une apoptose massive seprodulsantdansIe tole, lesreinset Ie thymus. Enfin, certains auteurs ont observe chez ces souris une apoptoseprernaturee decertains types neuronaux lorsdu vieillissement. La protelne Bd-xjouerait doneun role Important dansla surviedesneurones durant I'embryo­genese tandis que 8cl-2 assurerait la survie des neurones differench~s. Desdonneesrecentes obtenues In vitro avecdes motoneurones spinaux ou descellules desgrainsdu cervelet lalssent penser queIesysteme Fas pourrait ega­lement particlperdans l'apoptosephysiologique du systeme nerveux 1281. Eneffet, sl on inhibe I'activation des recepteurs Fas, tes cellules granulalres ducervelet sont protegees contre rapoptose induite par diminution de racnvtteelectrlque, tandis que les motoneurones spinaux survlvent mleux lorsqu'onles prlve de facteurs neurotrophiques 1281. En I'absence de facteurs eplgene­tiquesde surviecellulaire, lesneurones exprimeraientet secreteralent FasL, Ieligand de Fas. Ce dernier actlverait alors les recepteurs de Fas exprlmes a lasurface desneurones. En conclusion, lesfacteurs neurotrophlquespourraientassurer la survle desneuronesen regulant I'activitedu systerne Fas et/ou enrnodulant ractlvlte desprotelnesde la famille Bcl-2.

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Apoptose en pathologie humaine

4. Quel est Ie role de 10 mort neuronoledans Iedeveloppement du cerveau ?

Nous avonsdejamentlonneIe rOle de la phase precoce de mort cellulaIrequitoucheres neuroblastes dansIe modelage du cerveau. le rOle de la mort eel­lulaire qul touche res neurones pius differencles n'est pas encore bien com­pris. On pense qu'ellepourrait intervenirdansl'organlsatlon fonctionnelle ducerveau en eliminant par exemple desneurones qul auraientfait des erreursde connexion synaptique ou encore des neurones qul n'auralent pas mlgreau bon endroit. On sait que chez Ie nematode Caenorhabditls eteqans, l'aug­mentationdu nombrede neurones dueal'lnhlbltlon de la mort cellulaire pro­gramrnee, entraine des problernes de locomotion. Pour notre part, en colla­boration avec Ie groupe du DrMariani, nous avons recherche 51 les souristransgenlques qut sur-expriment Bcl-2 et possedent davantage de neuronesque la normale, presentalent des anomalies notables du comportement.Nous avons note que ces souris presentent des problemes de coordinationmotrlce et sont moins performantes dans des tests d'apprentlssage et dememorisation [3D). En revanche, Iegroupedu DrMaffeia rnontreque,rnalgreun nombredecellules ganglionnaires retlnlennes deuxfoissuperieur a la nor­male, ces souris ne semblent pas presenter de troubles visuels majeurs [27).le rOle de la mort neuronale dans Ie developpernent du cerveau est loind'etre encore bien comprls. Nous pensons que la production de souris trans­gentques dont Ie nombre des neurones serait augrnente unlquement dansdes regions dbleesdu cerveau, grace aBci-2 par exemple, pourrait permettrede repondre a cette question,

5. Apoptose cc pathologique II

dans Iesysteme nerveux

Lorsqu'elle survient en dehors du developpernent du systems nerveux,I'apoptose neuronale peut etre conslderee comme pathologique. Dans respathologies algues du systerne nerveux, que ce soit les traumatlsmes cere­braux ou bien l'lschernle cerebrate, de nombreuses cellules, neurones au ali­godendrocytes, degenerent par necrose au par apoptose. Dans rtscnemtecerebrate, I'apoptose Intervlentdans la penombre, une zone mal definie qulentourela zonecentrale necrotlque. Elle peutetre Induiteparde multiples sti­muli commela liberation d'addesamlnes exdtateurs (glutamate), descytoki­nesou des radicaux Iibres. La surexpresslon de protelnes anti-apoptiques dela famiIJe Bci-2 au encore l'utlllsatlond'inhibiteursdecaspases sesont revelesbeneflques dansun grand nombre de pathologies accidentelles du systernenerveux central. Ainsi, la surexpression de Bcl-2, au encore I'Inhlbitlon descaspases, diminue la taiIJe de la lesionIscnernlque dansdes modeles dtsche­mle cerebrate transitoireau permanente [17, 22, 29). L'lnhibitlon descaspa­ses, notamment la Caspase-1, permetegalernent d'obtenlr unebonneprotec-

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tlon neuronale dans un modele murln de traumatlsmecerebral (9). Outre lesstimuli de mort deja evoques, Fas sembleegalernent partlclper a la mort desneuronesdansl'lschernle cerebrate, Alnsl,la taille deslesionsprovoqueesparl'lschernle cerebrate est conslderablernent redulte chez les sourisIpr qui pre­sententune mutation spontanee du gene de Fas (28).

Dans de nombreuses pathologies degeneratlves du systerne nerveuxaussl, des neuronesen vole d'apoptose ont ete mls en evidencea l'alde detechniques hlstologlques approprlees, Par ailleurs, dans ces pathologies, demultiples etudes ont mls en evidence desvariations de I'expresslon de nom­breux genes lmpllquesdansI'apoptose(411, Neanrnolns, on ne connait qu'unseulexemplede pathologiesdegeneratlves neuronalesou la cause est direc­tement Iiee a une mutation d'un gene lmpllque dans la survie celtulalre. 11s'aglt des formes gravesde la SMA I$plnal musru/ar atroph}1, une pathologlequi s'accompagne dune degenerescence perinataledesmotoneurones,Cettepathologle estduea la mutation du genede la protetneSMN I$urvlval0/motorneurons) (201 assodee, dans les cas graves, a une mutation fonctionnelle dugenede NAIP (neuronal apoptoUs Inhibitorprotein) (31), Legenede NAIP estunmembre des genes des protelnes de la famille des lAPs Unhibltory apoptoslsprotein) 129) dont la fonctlon estd'inhiber I'activite descaspases.

La mise en evidence de I'apoptose et l'evaluatlon de son Importancedans la pathogenie d'autres maladies neurodegenerattves sont essentlelte­ment Ie resultatd'experlences visant a Inhiber Ie processus apoptotlque solta I'aided'inhibiteurspharmacologlques soit par la manipulation de genes antiou pro-apoptotlques, Leresuttat Ieplus frappant a ete obtenu chezun mutantde la drosophilequi developpeune degenerescence retlnlenne apparenteeala retlnlte pigmentaire de I'homme 13). La surexpresslon de la protetne p35,une proteme virale qui inhibe l'actlvlte de nombreuses caspases, protege lesphotorecepteurs de ces moucheset empeche la survenue d'une cedte,L'inhi­bitlon descaspase-1 et -3 permetaussl d'obtenlr une protection desneuronesdansdesmodelesde maladie de Parkinson ou de Huntington (6, 18, 26), ParallIeurs, les caspase-2, -3 et -12 pourralent [ouer un rOle dans la patnogenlede la maladie d'Alzhelmersoit en participant au cllvagede la protelne ~ amy­lo'ide (11), soit en rnedlant les effets toxlques du peptide ~ amyloide (24, 37),La caspase-a, quant a elJe, serait necessaire pour I'apoptose Induite par laprotelne dite huntingtine 134), Outre ces resultats, des benefices therapeutl­ques ont egalernent ete obtenus grace aux protelnes de la famille BcI-2, Lasurexpresslon de BcJ-2 rend les neuronesplus resistants In vitro a la toxtdtedu peptide ~ amylo'ide (33) et In vivo, dans des rnodeles de maladle de Par­kinson Induits par ta 6-0H dopamine ou Ie MPTP (methyl-phenyl-tetrahydro­pyridine) 125, 42), sd-z peut aussl proteger les photorecepteurs dans desmodelesde degenerescence retlnlenne (2) ou encoreles motoneuronesdansun modele murln de sclerose laterale amyotrophlque famillale due a unemutation du genecodant pour la superoxldedismutase (19), Dansce dernlercas, la duree de vie des sourisa pu etre prolongee de rnanlere significative,Cela n'est pas Ie cas pour un autre modele de degenerescence motoneuro­nale causee par une mutation du gene codant pour la forme legeredesneu­rofilaments dans lequel Bd-2 ne confere aucune protection (14), Dansd'autres rnodeles de degenerescence motoneuronale, Bct-2 a un effet positifsur la survle de ces neuronessans que cela ait une incidencesur Ie decours

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de la pathologie. Cest alnslpour lessouris PMN (progressive motoneuropath~qui developpent spontanement une degenerescence desmotoneurones lleea une mutation genetlque encore Inconnue. Ces souris developpent uneparalysle musculaire progressive et meurent de multiples complications,notamment respiratoires. Chez ces souris, BcI-2 sauve Ie corps cellulaire desmotoneurones maisn'enrayepasla degenerescence de l'axonequi probable­ment estanterleure aceliedu corps cellulaire (32). Decefait, et bien que lescorps cellulaires desmotoneurones aient ete epargnes, la duree de vie dessouris surexprimant BcI-2 n'excede pascelie dessouris temoins. Ces resultatssoulevent une question essentielle quant a l'utllite d'inhiber I'apoptose danscertaines maladies neurodegeratlves,

Dans de nombreuses pathologies degeneratlves, iI semble que l'apop­toserepresente la phase terminaledun dysfonctionnement neuronaldont lacause varie selon lesaffections neurologiques. Dans ces pathologies, lespre­mierssignes c1iniques detertes sont probablement amettre en rapport avecdes alterations synaptiques ou axonates, sans relation aucune avec rapop­tose. Comme nous ravens rnentlonne avec lessouris PMN, II semble existerune dissociation clairedesevenements degeneratifs survenant dansIecorpscellulaire et dans raxone, ce qui suggere I'exlstence de mecanlsrnes sous­jacents distincts. Ainsi, iI est Impossible de bloquer la degenerescence Walle­rienneavecdesInhibiteurs de I'apoptose (10).

En conclusion, slon peutesperer quedanslespathologies algues du sys­teme nerveuxl'inhibition de l'apoptose auradesretentlssements benetlquespour Ie patient, IIy a fort aparierquedansbon nombrede pathologies dege­neratlves chroniques, lestraitements anti-apoptotiques, seuls, auront un effetlimite,volre nul. trou la necesslte pour ces maladies, de comprendre precise­ment lesrnecantsmes molecutalres qulles engendrent et sur la base desquelsII sera possible de developper lestherapies lesplusefficaces.

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