Mécanismes de l'apoptose radio-induite

Mécanismes de l’apoptose radio-induite1

Sarah Baatout, Hanane Derradji, Olivier Petitfour, Hanna von Suchodoletz etMax Mergeay

Résumé : Dans cette revue, une vue générale des mécanismes d’activation de la mort cellulaire programmée ouapoptose suite à une exposition aux rayonnements est présentée. Cet article reprend tout d’abord les principales voiesd’induction de l’apoptose radio-induite par lesquels les signaux extracellulaires (« tumor necrosis factor (ou TNF) », leligand Fas, « TNF-related apoptosis-inducing ligand (ou TRAIL) ») et intracellulaires (mitochondrie, caspases) sontintégrés. Nous examinons ensuite l’importance de la p53 et de ses régulateurs (ATR, ATM, DNA-PKcs) dans leprocessus d’apoptose radio-induite, ainsi que les voies de transduction du signal de mort cellulaire au travers dedifférentes protéines kinases (MEKK, SAPK/JNK, p38-MAPK). Enfin, un chapitre aborde l’intérêt clinique del’apoptose radio-induite ainsi que l’implication de l’apoptose dans le traitement de certaines maladies.

Mots clés : apoptose, irradiation, caspase, p53, mitochondrie.

Abstract: A general overview of the activation mechanisms of programmed cell death or apoptosis following an irradi-ation is given in this review. First, are summarized the main induction pathways of radiation-induced apoptosis bywhich extracellular (tumor necrosis factor (TNF), Fas ligand, TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL)) andintracellular (mitochondria and caspases) signals are integrated. A second part is then devoted to the importance of p53and of its regulators (ATR, ATM, DNA-PKcs) in the process of radiation-induced apoptosis. Thereafter, signaltransduction pathways and more specially the role of some protein kinases (MEKK, SAPK/JNK, p38-MAPK) istreated. At last, a chapter concerns the clinical interest of radiation-induced apoptosis and the implication of apoptosisin the treatment of certain diseases.

Key words: apoptosis, radiation, caspase, p53, mitochondria. Baatout et al. 637

Introduction

La mort cellulaire programmée, ou apoptose, est unprocessus hautement régulé utilisé par les organismespluricellulaires pour éliminer des cellules indésirables ouendommagées. Bien qu’elle ait été découverte par Carl Vogten 1842 dans le système nerveux en développement ducrapaud, le terme « apoptose » ne fut toutefois introduitqu’en 1972 par Kerr, Wyllie et Currie. Dans un organismepluricellulaire, l’apoptose, événement intracellulaire souscontrôle génétique, régule l’homéostasie tissulaire, élimineles cellules lésées tumorales ou infectées par un virus etintervient également lors de l’embryogenèse pour la forma-tion des différents organes. Les raisons qui poussent unecellule à se suicider par apoptose sont donc nombreuses(Vaux et Korsmeyer 1999) mais il n’existe pas une voieunique d’apoptose.

Les cellules apoptotiques sont caractérisées par une dimi-nution de volume avec arrondissement cellulaire et, dans lecas des cellules adhérentes, par une perte de contact avec lescellules avoisinantes. Ensuite la chromatine se condense, ce

phénomène étant suivi d’une fragmentation caractéristiquede l’ADN conduisant à un morcellement cellulaire et à laformation de corps apoptotiques. Les organites intra-cellulaires contenus dans les corps apoptotiques sontstructurellement intacts. Dans les tissus, les cellulesapoptotiques mourantes et les corps apoptotiques sontphagocytés par les cellules avoisinantes, ce qui expliquel’absence de réaction inflammatoire. L’apoptose doit êtredistinguée de la nécrose qui aboutit à l’éclatement de lacellule suivie d’une réaction inflammatoire locale. Dès lors,l’apoptose, processus par lequel la cellule dirige activementsa propre élimination, est en général opposée à la nécrose,phénomène dégénératif, passif, toujours accidentel etpathologique.

Les études sur le petit nématode Caenorhabditis elegansont permis d’apporter la première preuve que le suicidecellulaire est contrôlé par des gènes. On a pu démontrerensuite que, grâce à des homologies entre espèces, les gènesainsi que les mécanismes menant à l’apoptose sontconservés à travers l’évolution.

Dans le cas de la mort cellulaire radio-induite, l’apoptosesurvient généralement après la mitose. Les cassures doublebrins de l’ADN non réparées ou mal réparées sontconsidérées comme « la » lésion critique menant à uneapoptose radio-induite (Szumiel 1994). Les cellulesendommagées par les rayonnements ionisants ne meurentpas nécessairement immédiatement après l’irradiation maispeuvent se diviser plusieurs fois avant d’atteindre un niveaucritique d’instabilité génomique. L’apoptose joue un rôle im-portant dans la détermination de la radiosensibilité d’un typede cellules ou de tissus. Par exemple, après exposition aux

Can. J. Physiol. Pharmacol. 80: 629–637 (2002) DOI: 10.1139/Y02-097 © 2002 CNRC Canada

629

Reçu le 4 septembre 2001. Publié sur le site Web des Pressesscientifiques du CNRC, à http://rcpp.cnrc.ca le 5 juillet 2002.

S. Baatout,2 H. Derradji, O. Petitfour, H. von Suchodoletzet M. Mergeay. Laboratoire de Radiobiologie, Centred’Étude de l’Énergie Nucléaire, SCK-CEN, Boeretang 200,B-2400 Mol, Belgique.

1L’article a été soumis au processus habituel de révision parles pairs.

2Auteur correspondant (courriel : [email protected]).

I:\cjpp\Cjpp-80\80-07\Y02-097.vpTuesday, July 09, 2002 7:58:29 AM

Color profile: Generic CMYK printer profileComposite Default screen

radiations ionisantes, le test clonogénique montre que lenombre de cellules capables de former une colonie par divi-sions successives est significativement diminué suite à unphénomène apoptotique. Les cellules des lignées lymphoïdeset myéloïdes, les cellules épithéliales situées au niveau descryptes intestinales ainsi que les cellules de glandessalivaires sont des exemples typiques de cellules montrantune réponse apoptotique aiguë. Les facteurs de croissance(comme les facteurs de croissance des fibroblastes (bFGF)ou épidermal (EGF)) mais également la surexpression degènes impliqués dans l’apoptose (comme Bcl-2 ou c-Myc)ou l’inactivation de certaines protéines-clés (comme la p53)peuvent influencer l’amplitude de l’apoptose radio-induite etla radiosensibilité et ce, tant dans des modèles in vitro qu’invivo.

Les principales voies d’induction del’apoptose radio-induite

Les voies de transduction de signaux TNF-�, le ligandFas et TRAIL

Parmi les messagers apoptotiques, certaines molécules, ense liant à leurs récepteurs spécifiques à la surface de la

cellule, induisent l’entrée dans un programme apoptotique.Ces activateurs létaux sont entre autres (fig. 1) : le « tumornecrosis factor (ou TNF) » et la lymphotoxine, qui se lienttous deux au TNF Receptor 1 (TNFR1), le ligand Fas(Fas L), molécule qui se fixe au récepteur de surfacecellulaire appelé Fas (ou CD95 ou APO-1) (Peter et al.1997), le « TNF-related apoptosis-inducing ligand (ouTRAIL) » qui s’attache aux récepteurs DR4 ou DR5 et,enfin, le granzyme qui agit par l’intermédiaire de laperforine. Quand les récepteurs de surface cellulaire(TNFR1, Fas, DR4 ou DR5) sont liés à leur ligandspécifique, et complexés en trimères, ils sont capablesd’induire l’apoptose (Green 1998). Les ligands (comme leFas ligand et TNF-�) semblent jouer un rôle dans l’apoptoseradio-induite. En effet, le ligand Fas ainsi que TNF-�peuvent agir comme radiosensibilisateurs rendant ainsiradiosensibles des cellules qui sont normalement résistantesà l’apoptose radio-induite (Kimura et Gelmann 2000). Lesradiations ionisantes peuvent également activer le récepteurde mort de TRAIL : DR5 et l’addition de TRAIL exogèneentraîne l’exposition de la phosphatidylsérine sur la partieexterne de la membrane plasmique ainsi que l’activation deBid et des caspases-8 et -3 (Gong et Almasen 2000).

© 2002 CNRC Canada

630 Can. J. Physiol. Pharmacol. Vol. 80, 2002

Fig. 1. Les différentes voies de l’apoptose. La trimérisation de TNF, ligand Fas et TRAIL avec leurs récepteurs respectifs (TNFR1, Fasou DR4 ou DR5) induit le recrutement de molécules adaptatrices cytoplasmiques (TRADD, FADD) qui, en retour, recrute lesprocaspases-8 et -10, précurseurs de caspases initiatrices impliquées dans l’apoptose. Deux molécules de procaspase (homodimères) enactivent d’autres, et s’assemblent pour former la caspase mature, active. Celle-ci clive et active d’autres caspases, orchestrant ainsi lamort cellulaire apoptotique.



La voie des caspasesLes effecteurs clés de l’apoptose sont les caspases (con-

traction de « cystéine aspartases »), véritables machines àtuer du processus de mort; ce sont des protéases à cystéinehautement conservées qui clivent leur substrat après desrésidus acide aspartique (Vaux et Korsmeyer 1999) (fig. 1).Il existe environ une quinzaine de caspases (chez lesmammifères) à l’état de zymogènes inactifs (c.-à-d. deproenzyme) ou procaspases dans les cellules, caractériséespar la présence d’un prodomaine en position N-terminalsuivi d’une région qui donnera après clivage protéolytiquedeux sous-unités, une grande, de 17 à 20 kDa et une petite,de 10 à 12 kDa. Un second clivage fait partir le prodomaineN-terminal et les sous-unités s’assemblent alors en untétramère possédant deux sites actifs. Cette caspasenouvellement activée peut alors à son tour, puisque c’est uneprotéase, agir sur d’autres procaspases en cascade,permettant ainsi une amplification de l’activation (fig. 1).Une surexpression des caspases actives est suffisante pourinduire l’apoptose. Schématiquement les caspases possédantde grands prodomaines (comme les caspases-1, -2, -4, -5, -8,-9, -10, -12 et -13) sont supposées être des caspasesrégulatrices, alors que celles avec de petits prodomaines(comme les caspases-3, -6, -7, -11 et -14) seraient lescaspases effectrices. Ainsi, l’activation des caspases seproduit probablement dans une cascade par partant del’activation initiale de caspases régulatrices qui activeront enaval les caspases effectrices par coupure protéolytique. Ànoter que la surexpression d’une forme mutante de lacaspase-9 inhibe l’activation induite par les radiations descaspases-3 et -9 et réduit l’index apoptotique des cellulesirradiées (Zhang et al. 2001). Par ailleurs, Paroni et al.(2001) ont dernièrement montré que l’apoptose induite parla caspase-2 était dépendante de la caspase-9, mais que satransformation pendant l’apoptose induite par les UV ou parle TNF nécessitait la caspase-3. On a déjà dénombré plusd’une centaine de substrats des caspases comme lesprotéines de structure telles que la lamine, l’actine G; deskinases comme PKC, MEKK1, JNK/SAPK; des enzymesimpliquées dans la réparation de l’ADN et dans le cyclecellulaire (comme PARP, DNA-PKcs, pRb, Mdm2) ainsi quedes enzymes jouant un rôle dans la transcription ou latraduction (Villa et al. 1997).

Les protéines adaptatricesMais qu’est-ce qui fait le lien entre ces caspases et la fixa-

tion du ligand Fas ou du TNF-� sur leur récepteur? En fait,l’induction de l’apoptose par ces signaux requiert la partici-pation d’autres protéines, que l’on appelle « protéinesadaptatrices » (p. ex. FADD ou TRADD …). L’activationinitiale des procaspases est réalisée par ces protéinesadaptatrices qui se lient à elles via des motifs communs(fig. 1). L’agrégation des procaspases, étape importante pourleur activation initiale, est en fait dirigée par la fixation demolécules adaptatrices aux prodomaines de certainescaspases. On a identifié deux types principaux de domainesd’interaction : les domaines effecteurs de mort (deatheffector domains ou DEDs), comme dans les procaspases-8et -10 et des domaines de recrutement des caspases (CARDspour caspase recruitment domains), qu’on trouve dans laséquence des procaspases-1, -2, -4 et -9 (Vaux et Korsmeyer

1999). La signalisation de l’apoptose par Fas et TNFR1requiert en plus la participation d’un « death domain (DD) »,dans la portion cytoplasmique de chaque récepteur. Desprotéines adaptatrices (comme FADD ou MORT1) se lient àces domaines DD via leurs propres DD, domainesd’homologie bien distincts du DED (Peter et al. 1997)(fig. 1). Une fois la trimérisation du récepteur Fas avec sonligand réalisée (le premier signal activateur de cette voie),c’est cette protéine adaptatrice FADD (= MORT1) quirecrute la procaspase-8 par son prodomaine sur le récepteur,ce qui active l’effecteur et, par-là l’apoptose. Si le signal ini-tial provient du TNFR1, alors c’est une autre moléculeadaptatrice, appelée TRADD, qui intervient (fig. 1). Danscette voie, les signaux activant la mort peuvent donc êtretransmis de la membrane plasmique à la caspase-8 viaFADD ou TRADD. L’activation de la caspase-8 entraîneral’activation d’une cascade de caspases. On a cependanttrouvé une autre molécule adaptatrice susceptibled’intervenir après l’induction du récepteur Fas : Fas activérecrute FLASH, qui possède un DED, lui permettant des’assembler avec d’autres FLASH, puis avec la procaspase-8pour l’activer (Medema 1999).

Il a été suggéré que Fas (ou CD95) ainsi que son ligand(Fas L) jouerait un rôle dans l’apoptose radio-induite enactivant la caspase-8 (Müller et al. 1997). Cependant, lasurexpression de FLIP (FLICE (caspase-8)-inhibitory pro-tein) qui se lie à FADD et à la caspase-8 empêchantl’apoptose induite par Fas, n’inhibe pas l’apoptose radio-induite (Villunger et al. 1997). Cette étude ne montre doncpas a priori un rôle de l’activation des caspases médié parles récepteurs de mort dans l’apoptose radio-induite.

À noter qu’hormis FADD, d’autres protéines, commeDaxx, par exemple, peuvent interagir avec Fas et se lier àson domaine de mort. La surexpression de Daxx stimulel’apoptose induite par Fas et active la transduction du signalmédiée par SAPK/JNK (Yang et al. 1997).

La voie mitochondrialeDans cette voie, les protéines antagonistes de la famille

Bcl-2 qui empêchent (membres anti-apoptotiques : Bcl-2,Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1 et Boo) ou déclenchent (membresproapoptotiques : Bax, Bcl-xs, Bad, Bak, Bid, Bik, Hrk,Bim, Blk, Birk et BNIP3) le suicide sont en compétitionpour se fixer à la paroi externe de la mitochondrie,contrôlant l’ouverture des pores de sa membrane et lalibération des protéines contenues dans la mitochondrie(Blank et al. 1997). L’excès de Bcl-2 détermine la surviealors qu’un excès de Bax, la mort.

Brièvement, différentes formes de stress cellulaireprovoquent l’activation du gène p53 (capable de contrôlerl’expression d’autres gènes) menant à une augmentation desa synthèse, ce qui a comme conséquence une diminution deBcl-2 et une augmentation de Bax. Ceci induit alors unechute du potentiel de la membrane interne des mito-chondries, ce qui entraîne l’ouverture de pores protéiquesdans cette membrane, et enclenche une libération decytochrome c par ces organites. Ce cytochrome c se fixe àApaf-1 (protéine adaptatrice) qui en retour s’agrège avecd’autres molécules d’Apaf-1, et cet ensemble se lie finalementà la procaspase-9 et est parfois appelé « apoptosome ».Apaf-1 fixe aussi de l’ATP et du dATP, nécessaires à

© 2002 CNRC Canada

Baatout et al. 631



l’activation efficace de la caspase-9. On observe alors latransactivation des procaspases-9 complexées, en caspases-9actives qui vont cliver et donc activer d’autres caspases enaval. Le membre Bax, promoteur de l’apoptose de la familleBcl-2 peut directement amener les mitochondries à libérerleur cytochrome c. En revanche, en l’absence de stresscellulaire, les protéines anti-apoptotiques de la famille Bcl-2(comme Bcl-2 ou Bcl-Xl) se lient à la mitochondrie etinhibent la libération de cytochrome c (Green 1998). Deplus, Bcl-2 peut se lier au complexe Apaf 1 – caspase-9,empêchant leur agrégation activatrice; ce n’est qu’à la suitede lésions internes à la cellule, que Bcl-2 libéreral’hétérodimère Apaf 1 – caspase-9, qui s’agrégera alors dansle cytosol et activera la caspase-9.

Lors de l’ouverture des pores protéiques de la membranemitochondriale, une autre molécule, « apoptosis-inducingfactor (AIF) » (Susin et al. 1999), est larguée dans lecytoplasme et induirait des dommages au niveau de la partieinterne de la membrane plasmique par activation de lafloppase, enzyme responsable de mouvements dans labicouche lipidique. Il semble que l’AIF serait également ca-pable d’activer directement des endonucléases.

La voie des récepteurs de mort (Fas, TNFR1, …) et lavoie mitochondriale ont en commun la formation del’apoptosome (Medema 1999), qui agit comme médiateur del’activation des caspases en aval. La fixation du ligand Fassur le récepteur Fas ou du TNF-� sur le TNFR1 entraîne lerecrutement et l’oligomérisation de protéines adaptatrices et,par conséquent, de procaspases, le tout complexé en unapoptosome dans lequel les procaspases agrégées s’activentmutuellement. Dans la voie du cytochrome c, l’apoptosomesera formé de l’assemblage de cytochrome c, d’Apaf 1 et deprocaspase-9 et entraînera l’activation de cette dernière, cequi permettra de cliver et donc d’activer d’autres caspases enaval, les caspases effectrices -3, -6 et -7, rejoignant l’autre

voie (Green 1998). S’ensuivra alors le clivage de substratsclés entraînant la mort apoptotique. Ces deux voies sontégalement liées par la protéine cytosolique Bid qui,lorsqu’elle est activée par la caspase-8, génère un fragmentcarboxyterminal qui se transloque à la membrane de lamitochondrie qui, dès ce moment, libérera le cytochrome c.

Le rôle clé de la protéine p53 et de ses régulateursCertains types cellulaires sont plus radiosensibles que

d’autres, et les mécanismes de transduction du signalemployés par les différents types cellulaires peuvent varier.En effet, le mécanisme de l’apoptose radio-induite peut êtreinitié à partir de différents compartiments cellulaires, commele noyau, les éléments du cytosol et la membrane plasmique.

Au niveau de la membrane plasmique, les radiationsionisantes induisent la production de radicaux libres. Ceux-ci peuvent induire à leur tour, des dommages membranaireslipidiques. Selon Giusti et al. (1998), un tel type dedommage est produit après de très faibles doses de radia-tions et serait cumulatif et non réparable. La membraneplasmique agirait donc comme une source de moléculescapables d’activer différents réseaux de transduction du sig-nal comme, par exemple, l’altération de l’afflux d’ions cal-cium et potassium, la libération d’acide arachidonique ou,encore, la formation de céramide.

Au niveau de l’ADN, il est bien établi que la protéinep53, suppresseur de tumeurs, joue un rôle essentiel dans laréponse suite à des cassures double-brins, en modulantl’expression de certains gènes (fig. 2). En effet, p53, agissantau point de contrôle avant la réplication, peut arrêter la pro-gression du cycle cellulaire en G1, en réponse à ces lésions(fig. 2). Si cet arrêt suffit pour les réparer, la cellule commetoute cellule normale, dépassera ce point de restriction p53,s’engageant irréversiblement dans la réplication de l’ADN.En revanche, si les lésions sont trop importantes etirréparables, la p53, alors surexprimée, peut activerl’apoptose en induisant l’activation transcriptionnelle de Baxet en inhibant Bcl-2. En éliminant ainsi les cellules dontl’ADN est compromis, la p53 maintient l’intégrité del’organisme et joue, de ce fait, le rôle de « gardien dugénôme ». Le blocage du cycle cellulaire en fin de phase G1serait donc la première étape de l’apoptose p53 dépendante(Aravind et al. 1999). Par contre, il existe également desmécanismes de l’apoptose indépendants de la p53. Parexemple, en absence de p53 fonctionnelle, certains typescellulaires peuvent néanmoins mourir par apoptose après ir-radiation (Strasser et al. 1994). Suite à l’irradiation et outrela régulation des facteurs pro- et anti-apoptiques de lafamille Bcl-2, la protéine p53 a également été impliquéedans l’induction de l’expression de certains facteurs de mortou de leurs ligands menant à un phénomène d’apoptose detype autocrine ou paracrine (Kastan 1997; Müller et al.1997).

Il est à noter que d’autres protéines peuvent réguler lap53. C’est le cas des protéines ATR, ATM et DNA-PKcs(fig. 3).

La protéine ATM est le produit d’un gène qui est mutédans la maladie récessive autosomale, l’ataxie telangiectasie.ATM contribue à la stabilisation de la p53 et à l’arrêt du cy-cle cellulaire, plaçant ATM comme senseur du dommage del’ADN en amont de la p53 (fig. 3). Il a été montré que

© 2002 CNRC Canada


Fig. 2. Le rôle antitumoral de p53 est lié à sa propriété destimuler l’expression de certains gènes. Ce sont notamment lesgènes p21 et gadd45 (« growth arrest on DNA damage »), autresgènes suppresseurs de tumeurs qui induisent indirectement l’arrêtdu cycle cellulaire; le gène bax, un activateur de l’apoptose (p53réprime au contraire le gène bcl2, qui inhibe l’apoptose); et legène mdm2, dont le produit inhibe en retour p53 en se fixant surelle.



durant le processus d’apoptose radio-induite, ATM estspécifiquement clivé par la caspase-3 (Tong et al. 2000). Parailleurs, la phosphorylation de Pin2 (protéine régulant latransition entre la phase G2 et la phase M et étant quasiidentique à TRF1, protéine télomérique régulant l’élongationdes télomères) par ATM inhiberait l’apoptose. Des mutantsPin2, réfractaires à la phosphorylation par ATM, peuvententrer en mitose et en apoptose et ainsi accroître laradiosensibilité des cellules AT. Par contre, des mutantsPin2 capables d’imiter sa phosphorylation par ATM nepeuvent induire l’apoptose et réduire l’hypersensibilité auxradiations des cellules AT (Kishi et al. 2001). Ces résultatssuggèrent que Pin2 pourrait jouer un rôle dans la réponsecellulaire aux cassures double-brins.

La protéine kinase dépendante de l’ADN (ou DNA-PKcs)joue un rôle essentiel dans la détection des cassures double-brins et régule également la fonction de la p53. Elle estformée d’une sous-unité régulatrice, l’hétérodimère Ku(protéines Ku 70 et Ku 86) et d’une sous-unité catalytique,la DNA-PKcs (Smith et Jackson 1999), cette dernière étantactivée par Ku après sa fixation à l’ADN. Le complexe ainsiformé possède une activité sérine–thréonine kinase. Denombreux substrats de la DNA-PKcs ont été identifiés,parmi eux, la protéine p53, DNA-PKcs phophoryle p53 invitro menant à une interruption de l’interaction entre p53 etMdm2 et, en conséquence, à une activation de la p53(fig. 3). Selon une étude faite sur des souris knockout DNA-

PKcs –/– (Wang et al. 2000), la sous-unité DNA-PKcs seraitimpliquée dans l’apoptose dépendante de la p53 mais pasdans l’arrêt du cycle cellulaire. L’étude effectuée démontreque la DNA-PKcs jouerait le rôle d’effecteur en amont del’activation de p53 par les rayonnements ionisants, liantainsi lésions de l’ADN et apoptose. Dans ces travaux, lessouris knockout DNA-PKcs –/– sont entièrement exposéesaux rayonnements ionisants, le cycle cellulaire ainsi que laréponse apoptotique sont étudiés sur les thymocytes. Cetteétude démontre que l’apoptose et l’expression de Baxinduites par les rayonnements ionisants sont suppriméesdans les thymocytes DNA-PKcs –/–. Inversement, l’arrêt ducycle cellulaire et l’expression de p21 induits par lesrayonnements ionisants ne sont pas affectés. Ainsi, ladéficience en DNA-PKcs perturbe d’une manière sélectivel’apoptose dépendante de p53 mais pas l’arrêt du cyclecellulaire.

Deux autres acteurs ont dernièrement été identifiéscomme jouant un rôle dans la régulation du complexe DNA-PKcs. Il s’agit de la clusterine et de c-abl (protéine kinaseAbelson cytoplasmique initialement identifiée commehomologue cellulaire du virus de la leucémie murineAbelson). L’augmentation de l’expression ainsi quel’accumulation du complexe clusterine–Ku70–Ku80 apparaîtjouer un rôle important dans le signal de mort cellulaireaprès exposition aux radiations ionisantes (Yang et al. 2000).La liaison de la clusterine à Ku70 semble essentielle pour lamort cellulaire. La clusterine n’influencerait pas laréparation par recombinaison homologue ou non homologuequi fait directement suite aux cassures double-brins maisjouerait un rôle de médiateur de la mort cellulaire capable devérifier l’état de santé général de la cellule en facilitantl’élimination des cellules sévèrement endommagées ougénétiquement instables. Par ailleurs, c-abl sembleégalement jouer un rôle important dans l’apoptose induitepar les rayonnements ionisants. D’une part, les protéines Kuet c-abl ont vraisemblablement des actions opposées par rap-port à l’activité DNA-PKcs (Deutch et al. 2001). En effet,c-abl est capable de dissocier le complexe DNA-PKcs–Ku–ADN requis pour la réparation de l’ADN. Une diminutionde l’expression de la DNA-PKcs est corrélée à une augmen-tation du taux protéique de BCR-ABL (marqueur de laleucémie myéloïde chronique). D’autre part, la diminutionde la DNA-PKcs induite par BCR-ABL a été montréecomme induisant une radiosensibilité accrue. Cette diminu-tion de la régulation de la DNA-PKcs pourrait être dûe à unedégradation de la DNA-PKcs par ubiquitination. D’autrepart, c-abl peut également se lier à la p53, et une sur-expression de c-abl est associée à un arrêt en phase G1 pardes mécanismes dépendants de la p53. Takao et al. (2000)ont montré que les cellules déficientes en c-abl affichent unerésistance à l’apoptose induite par les rayonnementsionisants et qu’inversement, la surexpression de c-abl induitl’apoptose. Enfin, une étude récente a démontré que c-ablpourrait activer la protéine p73 (de la famille p53) lors de laréponse apoptotique aux dommages causés à l’ADN (Agamiet al. 1999).

Dans une étude portant sur l’implication de la cycline B1dans l’apoptose induite par les rayons gamma (Porter et al.2000), des cellules hématopoiétiques humaines (DP 16, HL60) et de souris (Ramos) sont respectivement déficientes ou

© 2002 CNRC Canada

Baatout et al. 633

Fig. 3. Réseaux principaux dans lesquels la protéine p53 et sesrégulateurs (DNA-PK, ATM, ATR) sont impliqués suite à desdommages radio-induits créés au niveau de l’ADN.



mutées pour le gène p53. Dans les cellules normales demammifères l’accumulation de la cycline B1 dans la phaseG2 est indispensable pour l’initiation de la mitose.Cependant l’irradiation gamma des cellules hémato-poiétiques induit l’expression de la cycline B1 au cours detoutes les phases du cycle cellulaire conduisant les cellules àentrer en apoptose. Ces résultats suggèrent que l’engagementapoptotique d’une cellule est au moins en partie régulé parl’accumulation de la protéine cycline B1 et que cetévénement est indépendant de la voie apoptotiquedépendante de p53.

Les voies de transduction du signal et le rôle decertaines protéines kinases

Il existe deux voies distinctes de signalisation del’apoptose à partir du domaine intracellulaire du récepteurTNFR1 : la première implique la cascade des protéinesadaptatrices qui interagissent via des domaines d’homologie,et qui finalement communiquent le message aux caspases; ladeuxième implique, quant à elle, une cascade de protéineskinases. Plusieurs protéines Ser ou Thr kinases sontimpliquées spécifiquement dans l’apoptose.

La « calmodulin-dependent death-associated protein kinase »(ou DAP kinase, conservée chez les vertébrés comme chezles nématodes) contient un domaine d’homologie (appeléDD), et, est un régulateur positif de l’apoptose induite parl’interféron �. La DAP kinase semble lier l’apoptose et lacroissance tumorale, et pourrait jouer un rôle important dansla régulation de la balance entre prolifération et apoptose(Aravind et al. 1999).

La voie de transduction menant à l’apoptose peut êtreinduite par les radiations ionisantes, le TNF-�, Fas, l’inter-leukine - 1, un choc thermique, des agents chimio-thérapeutiques ainsi que d’autres inducteurs de stress. Dansbeaucoup de systèmes, une des réponses de la cellule àl’irradiation est l’activation de la cascade de la protéinekinase activée par le stress (SAPK/JNK) qui pourrait êtreinitiée par MEKK1 et qui impliquerait la phosphorylationséquentielle et l’activation de SEK1/MKK4, SAPK/JNK etc-Jun (fig. 4). Plusieurs arguments semblent le confirmer.Tout d’abord, on remarque une corrélation très étroite entreles cinétiques et l’amplitude d’activation de la SAPK/JNKavec l’induction par apoptose de changements nucléaires.Les cellules qui sont susceptibles de mourir par apoptosesuite aux radiations possèdent une SAPK/JNK pouvant êtrefacilement activée, alors que les cellules résistantes nepeuvent activer leur SAPK/JNK. De plus, beaucoup detravaux montrent le rôle de la protéine c-Jun dans l’apoptoseinduite suite à un manque de facteurs de croissance. Enfin,d’autres études ont été effectuées grâce à des mutantsdominants négatifs pour c-Jun, SAPK/JNK ou SEK1/MKK4,dans lesquels on remarque que l’apoptose est bloquée (Chenet al. 1996; Verheij et al. 1996). Cependant, le mécanismepar lequel la protéine SAPK/JNK jouerait un rôle dansl’apoptose radio-induite n’est pas encore tout à fait établi(Chen et al. 1996; Verheij et al. 1996). Une possibilité seraitune interaction entre la SAPK/JNK et les caspases.L’activation de la SAPK/JNK par les caspases ainsi que laréciproque, à savoir, l’activation des caspases par laSAPK/JNK ont toutes les deux été proposées et pourraientêtre dûes à des boucles de feedback positif. En plus des

caspases, il se pourrait que SAPK/JNK ait également pourcible d’autres protéines impliquées dans la régulation del’apoptose comme p53, Bcl-2, Bax, c-Jun et Rb. À noterenfin que l’activation de la SAPK/JNK peut être obtenue viades mécanismes dépendants ou indépendants des céramides(lipide jouant le rôle de second messager) suite à l’hydrolysepar la sphingomyélinase de la sphingomyéline (Blank et al.1997; Kolesnick et Hannun 1999; Chatterjee et Wu 2001)(fig. 4). Par ailleurs, Mazière et al. (2001) ont montré quesuite à une irradiation aux UV, la production de céramidesétait proportionnelle au contenu intracellulaire des espècesoxygènes réactives. Cependant, dans leur modèle in vitro dekératinocytes, les rayons UVA induisaient une diminutiondes activités des sphingomyélinases neutres et acides, etaucun clivage de la sphingomyéline en céramide n’étaitobservé.

© 2002 CNRC Canada


Fig. 4. Modèles simplifiés des réseaux menant à l’apoptose ra-dio-induite. (1) Les dommages à l’ADN induit par les radiationspeuvent initier l’apoptose via des mécanismes dépendants de lap53, e.g., en régulant l’expression des membres de la familleBcl-2. P53 peut également réguler l’interaction entre Fas et sonligand. (2) Différents stimuli, comme Bax, des espècesoxygénées réactives et les caspases peuvent provoquer lalibération par les mitochondries de facteurs activant les caspasescomme la cytochrome c. (3) L’activation du réseau pro-apototique SAPK/JNK peut avoir lieu en aval des signaux venantde la membrane comme le céramide et Daxx.



Récemment, Kharbanda et al. (2000) ont montré qu’uneexposition aux radiations ionisantes induisait la translocationde la SAPK vers les mitochondries ainsi que l’association dela SAPK avec la protéine anti-apoptotique Bcl-XL. En effet,la SAPK phosphorylerait Bcl-XL sur les résidus thréonines47 et 115. Par ailleurs, la surexpression de Bcl-XL mène àune inhibition importante de l’apoptose radio-induite. Enfin,la phosphorylation de Bcl-XL médiée par la SAPK n’a aucuneffet sur son association avec Bax.

Dernièrement, Assefa et al. (2000) ont étudié lesmécanismes de l’apoptose induite par les rayonnements UV-B et plus particulièrement, le rôle de la protéine p38-MAPK.Les rayonnements UV-B induisent une activation soutenuede la p38-MAPK ainsi que la libération du cytochrome c mi-tochondrial, menant ainsi à l’activation de la caspase-3. Lesrayons UV-B peuvent également induire un clivage de Bidmédié par les caspases. Des inhibiteurs de caspases bloquenten grande partie l’apoptose induite par les rayons UV-B sansempêcher la libération du cytochrome c mitochondrial etl’activation de la protéine p38-MAPK. Ceci démontre queles rayons UV-B induisent des mécanismes d’apoptose mul-tiples et indépendants, culminant en l’activation de laprocaspase-3, et que la libération initiale du cytochrome cest indépendante de l’activité caspase. Dès lors, une activa-tion soutenue de la protéine p38-MAPK contribuerait àl’apoptose induite par les rayons UV-B en médiant lalibération du cytochrome c mitochondrial dans le cytosol.

À noter également, que Masdehors et al. (2000) ontdémontré, il y a peu, que le phénomène d’ubiquitinationcontrôlait l’apoptose radio-induite et Russo et al. (2001)d’ajouter que la radiosensibilité peut être accrue par inhibi-tion du protéosome. En particulier, l’inhibition del’activation de NF-kappaB augmenterait l’apoptose radio-induite et la radiosensibilité de cellules colorectales.

Implications de l’apoptose dans letraitement de certaines maladies et intérêtclinique de l’apoptose radio-induite

L’apoptose est un phénomène extrêmement complexe quel’on peut donc tenter de moduler à partir de multiples voies.La recherche pourrait être bénéfique notamment dans lestraitements de certaines maladies, comme, par exemple :

(i) dans le contrôle de certaines pathologies cancéreusespar induction d’apoptose suite à l’irradiation ou untraitement chimiothérapeutique des cellules cancéreuses;

(ii) dans le retardement du vieillissement prématuré descellules dans certaines maladies neurodégénératives :l’empêchement ou le retardement de l’apoptose dansles cellules neuronales;

(iii) dans la régulation de maladies inflammatoires parl’induction de l’apoptose et de la phagocytose afin desupprimer la réponse inflammatoire;

(iv) dans le traitement afin d’éviter le rejet des transplantspar la prévention de l’apoptose des cellulesparenchymateuses et l’apoptose de certaines cellulesdu système immunitaire;

(v) dans la régénération et la réparation tissulaire parl’induction de l’apoptose afin de limiter l’activitéfibroblastique et de contrôler la formation d’unecicatrice.

L’intérêt de contrôler l’apoptose offre donc beaucoup depossibilités thérapeutiques et beaucoup de laboratoires de re-cherche œuvrent dans cette voie. Cependant, aucuneapproche n’a apporté de résultats suffisamment convaincantsà ce jour.

Concernant l’apoptose radio-induite, dans la plupart desétudes, l’irradiation est effectuée sous forme d’une doseélevée unique. Cependant, en radiothérapie clinique, il est depratique commune de délivrer une dose totale en lafractionnant en petites doses de manière à réduire la toxicitétissulaire normale. De manière surprenante, il existe peud’études concernant l’apoptose suite à une irradiation fractionnée.Meyn et al. (1993) ont évalué l’effet de différents protocolesd’irradiation fractionnée sur un modèle murin de tumeurovarienne et ont montré que cinq fractions journalières de2,5 Gy induisent plus d’apoptose que deux doses de 12,5 Gyséparées de 5 jours ou qu’une seule dose de 25 Gy. Ils enont conclu qu’après chaque fraction d’irradiation, une pro-portion de plus en plus importante de cellules devient sensi-ble à l’apoptose. De même, l’équipe de Ling (Ling et al.1995) a montré que le fait de diviser une dose en deux frac-tions égales séparées de quelques heures induisait plusd’apoptose qu’une dose d’irradiation double mais unique.Ces études montrent qu’une radiothérapie fractionnée induitun phénomène apoptotique proportionnel au nombre de frac-tions et qui peut dépasser le nombre de cellules apototiquesinduit par une irradiation unique. Il serait bon que plus derecherches soient effectuées concernant les effets in vitro etin vivo d’une irradiation fractionnée.

L’amplitude du phénomène apoptotique suite àl’irradiation diffère fort d’un type de tumeur par rapport àl’autre. Parmi les cellules les plus sensibles à l’apoptose, onnote les thymocytes, les lymphocytes et les cellules deslignées hématopoïétique et germinale, alors que les tumeurssolides sont plus résistantes au processus apoptotique. Dansdifférents modèles de tumeurs dont certains types detumeurs solides, une corrélation a pu être établie entrel’amplitude du phénomène de l’apoptose avant irradiation etla réponse de la tumeur après irradiation (Meyn et al. 1993).Si l’apoptose détermine la radiosensibilité, comme expliquéplus haut, ces données montrent la possibilité de recourir àun des niveaux de prétraitement apoptotique comme modèlede la réponse du tissu aux radiations. Beaucoup d’étudeshistopathologiques ont examiné ce point mais sont en con-tradiction l’une avec l’autre. De plus, l’utilisation de certainsmarqueurs biologiques (comme Bcl-2, p53, Bax, p21, Ki67)afin de prédire l’effet de l’irradiation sur une tumeur ne sontpas unanimes quant à leur utilisation éventuelle pour prédirela radiosensibilité d’une tumeur.

Bibliographie

Agami, R., Blandino, G., Oren, M., et Shaul, Y. 1999. Interactionof c-Abl and p73alpha and their collaboration to induceapoptosis. Nature (London), 399(6738) : 809–813.

Aravind, L., Dixit, V.M., et Koonin, E.V. 1999. The domains ofdeath: evolution of the apoptosis machinery. Trends Biochem.Sci. 24 : 47–53.

Assefa, Z., Vantieghem, A., Garmyn, M., Declercq, W.,Vandenabeele, J.R., Bouillon, R., Merleved, W., et Agostinis, P.2000. p38 mitogen-activated protein kinase regulates a novel,

© 2002 CNRC Canada

Baatout et al. 635



caspase-independent pathway for the mitochondrial cytochromec release in ultraviolet B radiation-induced apoptosis. J. Biol.Chem. 275(28) : 21 416 – 21 421.

Blank, K.R., Rudoltz, M.S., Kao, G.D., Muschel, R.J., etMc Kenna G.W. 1997. The molecular regulation of apoptosisand implications for radiation ecology. Radiat. Biol. 71 : 455–466.

Chatterjee, M., et Wu, S. 2001. Cell line dependent involvement ofceramide in ultraviolet light-induced apoptosis. Mol. Cell.Biochem. 219 : 21–27.

Chen, Y.R., Wang, X., Templeton, D., Davis, R.J., et Tan, T.H.1996. The role of c-Jun N-terminal kinase (JNK) in apoptosisinduced by ultraviolet C and � radiation. J. Biol. Chem. 271 :31 929 – 31 939.

Deutch, E., Dugray, A., Abdulkarim, B., Marangoni, E.,Maggiorella, L., Vaganay, S., M-Kacher, R., Rasy, S.D.,Eschwege, F., Vainchenker, W., Turhan, A.G., et Bourhis, J.2001. BCR-ABL down-regulates the DNA repair protein DNA-PKcs. Blood, 97(7) : 2084–2090.

Ghayur, T., Banerjee, S., Hugunin, M., Butler, D., Herzog, L.,Carter, A., Quintal, L., Sekut, L., Talanian, R., Paskind, M.,Wong, W., Kamen, R., Tracey, D., et Allen, H. 1997. Caspase-1processes IFN-gamma-inducing factor and regulates LPS-inducedIFN-gamma production. Nature (London), 386 : 619–623.

Giusti, A.M., Raimond, M., Ravagnan, G., Sapra, O., et Parasassi,T. 1998. Human cell membrane oxidative damage induced bysingle and fractionated doses of ionizing radiation: a fluores-cence spectroscopy study. Int. J. Radiat. Biol. 74 : 595–605.

Gong, B., et Almasen, A. 2000. Apo2 ligand/TNF-relatedapoptosis-inducing ligand and death receptor 5 mediate theapoptotic signaling induced by ionizing radiation in leukemiccells. Cancer Res. 60(20) : 5754–5760.

Green, D.R. 1998. Apoptotic pathways: The roads to ruin. Cell,94 : 695–698.

Kastan, M. 1997. On the TRAIL from p53 to apoptosis? Nat.Genet. 17 : 1317–1322.

Kharbanda, S., Saxena, S., Yoshida, K., Pandey, P., Kaneki, M.,Wang, Q., Cheng, K., Chen, YN., Campbell, A., Sudha,T., Yuan,Z.M., Narula, J., Weichselbaum, R., Nalin, C., et Kufe, D. 2000.Translocation of SAPK/JNK to mitochondria and interactionwith Bcl-x(L) in response to DNA damage. J. Biol. Chem.75(1) : 322–327.

Kimura, K., et Gelman, E.P. 2000. Tumor necrosis factor-alpha andFas activate complementary Fas-associated death domain-dependent pathways that enhance apoptosis induced by gamma-irradiation. J. Biol. Chem. 275(12) : 8610–8617.

King, K.L., et Cidlowski, J.A. 1995. Cell cycle and apoptosis:Common pathways to life and death. J. Cell. Biochem. 58 :175–180.

Kishi, S., Zhou, X.Z., Ziv, Y., Khoo, K., Hill, D.E., Shiloh, Y., etLu, K.P. 2001. Telomeric protein Pin2/TRF1 as an importantATM target in response to double strand DNA breaks. J. Biol.Chem. 276(31) : 29 282 – 29 291.

Kolesnick, R., et Hannun, Y.A. 1999. Ceramide and apoptosis.Trends Biochem. Sci. 24 : 224–225.

Ling, C.C., Guo, M., Chen, C.H., et Deloherey, T. 1995. Radiation-induced apoptosis-effect of cell age and dose fractionation. Can-cer Res. 55 : 5207–5212.

Masdehors, P., Glaisner, S., Maciorowski, Z., Magdelénat, H., etDelic, J. 2000. Ubiquitin-dependent protein processing controlsradiation-induced apoptosis through the N-End rule pathway.Exp. Cell. Res. 257 : 48–57.

Mazière, C., Conte, M.A., Leborgne, L., Levade, T., Hornebeck,W., Santus, R., et Mazière, J.C. 2001. UVA radiation stimulates

ceramide production: relationship to oxidative stress and poten-tial role in ERK, JNK, and p38 activation. Biochem. Biophys.Res. Commun. 281 : 289–294.

Medema, J.P. 1999. Life and death in a Flash. Nature (London),398 : 756–757.

Meikranntz, W., et Schlegel, R. 1995. Apoptosis and the cell cycle.J. Cell. Biochem. 58 : 160–174.

Meyn, R.E., Stephens, L.C., Ang, K.K., Hunter, N.R., Brock,W.A., Milas, L., et Peters, L.J. 1993. Heterogeneity in the devel-opment of apoptosis in irradiated murine tumours of differenthistologies. Int. J. Radiat. Biol. 64 : 583–591.

Meyn, R.E., Stephens, L.C., Hunter, N.R., Ang, K.K., et Milas, L.1994. Reemergence of apoptotic cells between fractionateddoses in irradiated murine tumors. Int. J. Radiat. Oncol. Biol.Phys. 30 : 619–624.

Müller, M., Strand, S., Hug, H., Heinemann, E.M., Walczak, H.,Hofmann, W.J., Stremmel, W., Krammer, P.H., et Galle, P.R.1997. Drug-induced apoptosis in hepatoma cells is mediated bythe CD95 (APO-1/Fas) receptor/ligand system and involves acti-vation of wild-type p53. J. Clin. Invest. 99 : 403–413.

Paroni, G., Henderson, C., Schneider, C., et Brancolini, ?. 2001.Caspase-2-induced apoptosis is dependent on caspase-9, but itsprocessing during UV-or tumor necrosis factor-dependent celldeath requires caspase-3. J. Biol. Chem. 276(24) : 21 907 –21 915.

Peter, M.E., Heufelder, A.E., et Hengartner, M.O. 1997. Advancesin apoptosis research. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94 : 12 736– 12 737.

Porter, L.A., Singh, G., et Lee, M. 2000. Abundance of cyclin B1regulates gamma–radiation-induced apoptosis. Blood, 95(8) :2645–2650.

Russo, S.M., Tepper, J.E., Baldwin, A.S., Liu, R., Adams, J.,Elliott, P., et Cusack, J.C. 2001. Enhancement of radiosensitivityby proteasome inhibition: implications for a role of NF-kappaB.Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 50(1) : 183–193.

Shimizu, S., Narita, M., et Tsujimoto, Y. 1999. Bcl-2 family pro-teins regulate the release of apoptogenic cytochrome c by themitochondrial channel VDAC. Nature (London), 399 : 483–487.

Smith, G.C., et Jackson, S.P. 1999. The DNA-dependent proteinkinase. Genes Dev. 13(8) : 916–934.

Strasser, A., Harris, A.W., Jacks, T., et Cory, S. 1994. DNA dam-age can induce apoptosis in proliferating lymphoid cells viap53-independent mechanisms inhibitable by Bcl-2. Cell, 79 :189–192.

Susin, S.A., Lorenzo, H.K., Zamzami, N., Marzo, I., Snow, B.E.,Brothers, G.M., Mangion, J., Jacoto, E., et Costantini, P. 1999.Molecular characterization of mitochondrial apoptosis-inducingfactor. Nature (London), 397 : 441–446.

Szumiel, I. 1994. Ionizing radiation-induced cell death. Radiat.Biol. 66 : 329–341.

Takao, N., Mori, R., Kato, H., Shinohara, A., et Yamamoto, K.I.2000. c-Abl tyrosine kinase is not essential for ataxiatelangiectasia mutated functions in chromosomal maintenance.J. Biol. Chem. 275(2) : 725–728.

Tong, X., Liu, B., Dong., Y., et Sun, Z. 2000. Cleavage of ATMduring radiation-induced apoptosis: caspases-3-like apoptoticprotease as a candidate. Intern. J. Radiat. Biol. 76(10) : 1387–1395.

Vaux, D.L., et Korsmeyer, S.J. 1999. Cell death in development.Cell, 96 : 245–254.

Verheij, M., Bose, R., Lin, X.H., Yao, B., Jarvis, W.D., Grant, S.,Birrer, M.J., Szabo, E., Zon, L.I., Kyriakis, J.M., Haimovitz-Friedman, A., Fuks, Z., et Kolesnick, R.N. 1996. Requirement

© 2002 CNRC Canada




© 2002 CNRC Canada

Baatout et al. 637

for ceramide-initiated SAPK/JNK signalling in stress-inducedapoptosis. Nature (London), 380 : 75–79.

Villa, P., Kaufmann, S.H., et Earnshaw, W.C. 1997. Caspases andcaspase inhibitors. Trends Biochem. Sci. 22 : 388–393.

Villunger, A., Egle, A., Kos, M., Hartman, B.L., Geley, S., Kofler,R., et Greil, R. 1997. Drug-induced apoptosis is associated withenhanced Fas (Apo-1/CD95) ligand expression but occurs inde-pendently of Fas (Apo-1/CD95) signaling in human T-acutelymphatic leukemia cells. Cancer Res. 57(16) : 3331–3334.

Wang, S., Guo, M., Ouyang, H., Li, X., Cardo, C.C., Kurimasa, A.,Chen, D.J., Fuks, Z., Ling, C.C., et Li, G.C. 2000. The catalyticsubunit of DNA-dependent protein Kinase selectively regulatesp53-dependent apoptosis but not-cell cycle arrest. PNAS. 97(4) :1584–1588.

Yang, X., Khosravi-Far, R., Chang, H.Y., et Baltimore, D. 1997.Daxx, a novel Fas-binding protein that activates JNK andapoptosis. Cell, 89 : 1067–1076.

Yang, C.R., Leskov, K., Hosley-Eberlein, K., Criswell, T., Pink, J.J.,Kinsella, T.J., et Boothman, D.A. 2000. Nuclear clusterin/XIP8,an x-ray-induced Ku70-binding protein that signals cell death.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97(11) : 5907–5912.

Zhang, Y., Dimtchev, A., Dritschilo, A., et Jung, M. 2001. Ionizingradiation-induced apoptosis in ataxia-telangectasia fibroblasts.Roles of caspase-9 and cellular inhibitor of apoptosis protein1.J. Biol. Chem. 276(31) : 28 842 – 28 848.



Documents

Mécanismes de l'apoptose radio-induite