II Aperçu de la morphologie et des événements moléculaires de l’apoptose
La mort cellulaire apoptotique peut être divisée en quatre étapes séquentielles : initiation, décision de mourir, exécution et engloutissement. Une gamme de stress cellulaires peut initier l’apoptose par l’activation de voies de signalisation intracellulaires ou la libération de seconds messagers. Les radiations ionisantes, les médicaments chimiothérapeutiques, l’hyperthermie et la privation de facteurs de croissance sont quelques exemples de déclencheurs de la mort cellulaire. Les molécules présentées par d’autres cellules, comme le ligand Fas (FasL) et le facteur de nécrose tumorale (TNF), peuvent également induire l’apoptose dans les cellules portant les récepteurs appropriés. Une cellule peut recevoir simultanément une variété de signaux, y compris des signaux de prolifération et de mort cellulaire. En réponse à ces signaux, une cellule doit évaluer sa situation et décider si elle doit se suicider par apoptose. Les molécules régulatrices clés à ce stade sont les membres de la famille des protéines Bcl-2 (White, 1996 ; Yang et Korsmeyer, 1996), bien que le mécanisme de leur action ne soit pas entièrement compris. Une fois qu’une cellule a pris la décision de mourir, les molécules qui agissent comme des exécutants sont activées. Dans tous les types d’apoptose étudiés, dans une variété d’organismes multicellulaires, les bourreaux comprennent des protéases cytosoliques, dont la majorité appartient à une famille appelée les caspases (Nicholson et Thornberry, 1997 ; Alnemri, 1997). Ces protéases attaquent des protéines cellulaires spécifiques, ce qui entraîne la destruction irréversible de processus et de structures cellulaires critiques. Au stade final de l’apoptose, les restes de la cellule mourante sont reconnus, engloutis et dégradés, soit par une cellule voisine, soit par un macrophage nécrophage.
Les changements morphologiques associés à l’apoptose sont distincts et bien caractérisés (Wyllie, 1987 ; Darzynkiewicz et al., 1997). Les cellules subissant l’apoptose se rétrécissent et se condensent rapidement, s’éloignant des cellules voisines. En raison de la perte de volume cytoplasmique, la membrane plasmique forme des bulles et des protubérances, donnant à la cellule un aspect boursouflé. Une augmentation rapide de la concentration d’ions calcium intracellulaires est également fréquemment observée (Schwartzman et Cidlowski, 1993). La membrane nucléaire s’arrondit et la chromatine se condense et s’agrège en formes denses, en forme de croissant, près de la membrane nucléaire. La condensation de la chromatine est associée au clivage double brin de l’ADN par une ou plusieurs endonucléases nucléaires (Wyllie et al., Montague et Cidlowski, 1996) et à la dégradation de la lamelle nucléaire par des protéases (Lazebnik et al., 1995).
La dégradation de l’ADN au cours de l’apoptose se produit selon un schéma précis et reproductible (Wyllie et al., 1992 ; Montague et Cidlowski, 1996). Initialement, l’ADN chromosomique est clivé en grands segments d’environ 50-300 kilobases (Oberhammer et al., 1993). Dans la plupart des cas d’apoptose, mais pas tous, ces domaines sont ensuite digérés en fragments plus petits par clivage entre nucléosomes. La séparation de l’ADN des noyaux apoptotiques par électrophorèse sur gel d’agarose produit un motif caractéristique de ces fragments mono- ou oligonucléosomiques en multiples de 185-200 paires de bases (pb), décrit comme une échelle d’ADN (Tilly et Hsueh, 1993). Les endonucléases responsables de cette fragmentation de l’ADN n’ont pas été identifiées de manière convaincante, bien que plusieurs candidats aient été suggérés (Montague et Cidlowski, 1996). Certaines études ont suggéré un rôle pour la DNase I ou II, mais ces enzymes ne sont pas normalement situées dans le noyau. Un meilleur candidat est peut-être une endonucléase 18 kD Ca2 +/Mg2 +-dépendante appelée NUC18 qui a été isolée à partir d’extraits nucléaires apoptotiques et s’est avérée être hautement homologue à la cyclophiline A. NUC18 peut être responsable du clivage de l’ADN en fragments de 50 kD. En outre, une nouvelle endonucléase Ca2 +/Mg2 +-dépendante de 95 kD qui est active pendant l’apoptose a été identifiée (Pandey et al., 1997). Une protéine appelée facteur de fragmentation de l’ADN (DFF) qui semble activer la ou les endonucléases apoptotiques a également été isolée à partir de cellules HeLa (Liu et al., 1997).
Les modifications de la mitochondrie des cellules apoptotiques précèdent la condensation cellulaire et la désintégration nucléaire et peuvent constituer un événement précoce essentiel de l’apoptose (Petit et al., 1996 ; Kroemer, 1997). Les mitochondries présentent une dépolarisation du potentiel membranaire (Δψm) (Marchetti et al., 1996 ; Zamzami et al., 1995b ; Zamzami et al., 1996), qui semble être due à l’ouverture de pores de transition de perméabilité mitochondriale (MPT) (Zoratti et Szabo, 1995). Les protéines libérées par les mitochondries apoptotiques dans le cytoplasme juste avant ou juste après la TPM sont capables d’induire une condensation de la chromatine et une fragmentation de l’ADN (Liu et al., 1996 ; Susin et al, 1996 ; Zamzami et al., 1996).
La cellule mourante se fragmente en plusieurs morceaux ronds enfermés dans la membrane, appelés corps apoptotiques, qui sont phagocytés et dégradés par les cellules phagocytaires (Savill et al., 1993 ; Hart et al., 1996). Les cellules épithéliales, les cellules endothéliales et les fibroblastes adjacents aux sites d’apoptose peuvent engloutir les corps apoptotiques. Plusieurs études démontrent également que les macrophages « professionnels » sont recrutés sur les sites de mort cellulaire et sont responsables d’une grande partie de la phagocytose des corps apoptotiques (Hopkinson-Woolley et al., 1994 ; Camp et Martin, 1996). Cet engloutissement empêche une réponse inflammatoire due à la fuite de débris cellulaires dans les espaces intercellulaires. Les cellules apoptotiques présentent une série de signaux pour attirer les phagocytes, notamment des modifications des molécules de la surface cellulaire telles que les sucres, les lipides et les protéines. Bien que la reconnaissance phagocytaire des cellules apoptotiques soit un processus critique et un domaine de recherche actif, les détails de cet événement final de l’apoptose dépassent le cadre de cette revue.
Les événements cellulaires de l’apoptose contrastent avec ceux de la nécrose, bien que les deux aboutissent finalement à la mort de la cellule (Darzynkiewicz et al., 1997). La nécrose, ou mort cellulaire accidentelle, se caractérise par la mort rapide, presque instantanée, d’une cellule suite à une blessure catastrophique. Les cellules nécrotiques gonflent jusqu’à atteindre un grand volume, présentant une augmentation spectaculaire du volume des mitochondries. La membrane plasmique est rompue et le contenu cellulaire est libéré, produisant généralement une réponse inflammatoire qui endommage les cellules voisines. La dégradation de l’ADN se produit parfois pendant la nécrose ; cependant, les sites de clivage sont aléatoires, ce qui donne lieu à une gamme complète de tailles de fragments. Les cas de mort cellulaire peuvent souvent être clairement distingués comme nécrotiques ou apoptotiques, mais dans certains cas, une cellule mourante présente des caractéristiques des deux processus.
Le terme de mort cellulaire programmée (PCD) est couramment utilisé pour décrire la disparition des cellules au cours du développement normal d’un organisme. Dans la plupart des cas, mais pas tous, la PCD procède par le même processus stéréotypé que l’apoptose ; par conséquent, les termes apoptose et PCD sont souvent utilisés de manière interchangeable. Une autre pratique consiste à définir le terme apoptose comme décrivant l’un des mécanismes de la CPD. Tout au long de ce chapitre, nous utilisons le terme apoptose pour décrire la mort cellulaire induite par des stress extracellulaires anormaux et le terme PCD pour indiquer la mort cellulaire apoptotique prédestinée au développement et se produisant normalement.