L’apoptose, une forme de mort cellulaire programmée (MCP), est un programme de suicide cellulaire essentiel pour le développement et l’homéostasie tissulaire des organismes métazoaires. La dérégulation de la MCP (inhibition ou exacerbation) est impliquée dans de nombreuses pathologies comme des maladies neurodégénératives, certains cancers ou le Sida (syndrome d’immunodéficience acquise).

La majorité des stimulus pro-apoptotiques est associée à une perméabilisation de la membrane mitochondriale externe (PEMME). Ce processus est régulé par les membres pro- et anti-apoptotiques de la famille Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) et conduit à la libération dans le cytosol du cytochrome c qui permet l’activation des caspases (Figure 1), les protéases responsables du phénotype apoptotique [ 1]. Néanmoins, les mécanismes par lesquels les membres pro-apoptotiques de la famille Bcl-2 que sont Bax (Bcl2-associated protein X) et Bak induisent la libération du cytochrome c demeurent controversés [ 2]. Un modèle suggère que la libération du cytochrome c fait suite à la rupture de la membrane mitochondriale externe en conséquence du gonflement de la matrice mitochondriale après l’ouverture du pore de perméabilité de transition¹. Un autre modèle, qui semble se confirmer, propose que Bax et Bak induisent un processus sélectif de PEMME à la suite de la formation de canaux ou pores permettant la libération des protéines solubles, comme le cytochrome c, dans l’espace intermembranaire. Enfin, comme il se produit une fragmentation/fission du réseau mitochondrial [ 7] au cours de l’apoptose [ 3, 4], ce phénomène a été proposé comme un mécanisme additionnel, alternatif ou complémentaire, dans la voie mitochondriale de l’apoptose [4, 5]. Cette fragmentation du réseau mitochondrial nécessite les effecteurs de la machinerie de fission et fusion mitochondriale [ 6, 7] et fait suite soit à une augmentation de la fission, soit à une diminution de la fusion, soit aux deux.

Figure 1 Description schématique de la voie apoptotique. En réponse à un signal apoptotique, on distingue deux cas de figure. Dans le premier, le signal apoptotique active les « BH3-only (Bcl-2 homology 3 only) » dérépresseurs (Bik, Bmf, Bad, Hrk et Noxa), un sous-groupe de la famille Bcl-2, qui neutralisent les protéines anti-apoptotiques que sont Bcl-2, Bc l-XL et Mcl-1 qui maintiennent les protéines pro-apoptotiques Bax et Bak sous une forme inactive. La neutralisation de Bcl-2, Bcl-XL et Mcl-1 par les « BH3-only » dérépresseurs conduit à l’activation de Bax et Bak. Dans le second cas, le signal apoptotique active les « BH3-only » activateurs (Bid, Bim et Puma), lesquels conduisent directement à l’activation de Bax et Bak. La fonction des « BH3-only » activateurs est inhibée par les membres anti-apoptotiques de la famille Bcl-2. Une fois activées, Bax et Bak induisent la déstabilisation de la membrane mitochondriale externe, ce qui aboutit à la libération de cytochrome c. Dans le cytosol, le cytochrome c s’associe à l’adaptateur Apaf-1 (apoptosis protease-activating factor-1), ce qui permet le recrutement puis l’activation de la caspase 9 au sein de ce complexe ternaire nommé « apoptosome ». La caspase 9 active la caspase 3, la principale caspase effectrice qui va cliver différents substrats pour induire le phénotype apoptotique et notamment ICAD, l’inhibiteur de CAD (caspase activated DNAse), une nucléase qui induit une dégradation oligonucléosomale de l’ADN. L’activation des caspases 9 et 3 est inhibée par XIAP (X-linked inhibitor of apoptosis protein) mais pour neutraliser cette inhibition, les protéines Smac et Omi sont colibérées avec le cytochrome c, favorisant alors l’activation des caspases.

Figure 1 Description schématique de la voie apoptotique. En réponse à un signal apoptotique, on distingue deux cas de figure. Dans le premier, le signal apoptotique active les « BH3-only (Bcl-2 homology 3 only) » dérépresseurs (Bik, Bmf, Bad, Hrk et Noxa), un sous-groupe de la famille Bcl-2, qui neutralisent les protéines anti-apoptotiques que sont Bcl-2, Bc l-XL et Mcl-1 qui maintiennent les protéines pro-apoptotiques Bax et Bak sous une forme inactive. La neutralisation de Bcl-2, Bcl-XL et Mcl-1 par les « BH3-only » dérépresseurs conduit à l’activation de Bax et Bak. Dans le second cas, le signal apoptotique active les « BH3-only » activateurs (Bid, Bim et Puma), lesquels conduisent directement à l’activation de Bax et Bak. La fonction des « BH3-only » activateurs est inhibée par les membres anti-apoptotiques de la famille Bcl-2. Une fois activées, Bax et Bak induisent la déstabilisation de la membrane mitochondriale externe, ce qui aboutit à la libération de cytochrome c. Dans le cytosol, le cytochrome c s’associe à l’adaptateur Apaf-1 (apoptosis protease-activating factor-1), ce qui permet le recrutement puis l’activation de la caspase 9 au sein de ce complexe ternaire nommé « apoptosome ». La caspase 9 active la caspase 3, la principale caspase effectrice qui va cliver différents substrats pour induire le phénotype apoptotique et notamment ICAD, l’inhibiteur de CAD (caspase activated DNAse), une nucléase qui induit une dégradation oligonucléosomale de l’ADN. L’activation des caspases 9 et 3 est inhibée par XIAP (X-linked inhibitor of apoptosis protein) mais pour neutraliser cette inhibition, les protéines Smac et Omi sont colibérées avec le cytochrome c, favorisant alors l’activation des caspases.

Les mécanismes par lesquels la fission mitochondriale pourrait participer à la libération du cytochrome c au cours de l’apoptose n’ont pas été élucidés et demeurent pour le moment spéculatifs. Comme nous l’avons mentionné précédemment, l’altération de la libération du cytochrome c qui est observée dans les cellules où la fission mitochondriale induite par Drp1 est inhibée pourrait être due à des perturbations dans l’ultrastructure mitochondriale, notamment des crêtes mitochondriale. Ces dernières sont des invaginations de la membrane mitochondriale interne où se situent les différents complexes respiratoires. Le cytochrome c sert de navette à électrons entre les complexes III et IV, si bien que plus de 80 % du cytochrome c est localisé au niveau des crêtes. Ainsi, des études ont montré qu’un remodelage des crêtes semble nécessaire à une libération rapide et complète du cytochrome c au cours de l’apoptose [11, 20- 22]. Ce remodelage des crêtes impliquerait la protéine mitochondriale OPAl (optic atrophy 1), protéine de la machinerie de fusion mitochondriale qui régule également la morphologie des crêtes [6, 7]. OPAl se présente sous forme d’hétéro-oligomères, une forme soluble courte d’OPAl s’associant avec une forme longue d’OPAl. Les caractéristiques des isoformes d’OPAl sont détaillées par G. Lenaers et al., et C. Sauvanet et al., dans les deux revues qui accompagnent ce manuscrit [6, 7]. Il a été montré que les hétéro-oligomères d’OPAl régulent l’ouverture de la jonction des crêtes et, rapidement après la PEMME, se dissocient. Cela entraîne l’ouverture de la jonction des crêtes et la libération complète du cytochrome c et des formes solubles d’OPAl [11, 2l, 22]. De façon intéressante, OPAl contrôle le remodelage des crêtes au cours de l’apoptose indépendamment de sa fonction dans la fusion mitochondriale [2l]. Ceci suggère que pour le processus de libération du cytochrome c, les changements de la morphologie des crêtes sont plus importants que les changements dans l’équilibre fission-fusion mitochondrial [8]. Enfin, il a été montré que l’inhibition de la fission régulée par Drpl modifie la configuration des isoformes d’OPAl [18], si bien que l’altération de la libération du cytochrome c observée au cours de l’apoptose dans ces conditions ne serait pas liée à la prévention de la fragmentation mitochondriale mais plutôt, indirectement, à l’empêchement du réarrangement des crêtes nécessaire à la libération complète du cytochrome c.

Bax est normalement localisée dans le cytosol alors que Bak est majoritairement associée à la membrane mitochondriale externe. Lors des étapes précoces de l’apoptose, Bax se relocalise au niveau de la mitochondrie ; Bax et Bak forment alors des agrégats à la surface de la membrane mitochondriale externe [1, 2] où ils colocalisent avec Drp1 et Mfn2 [12]. Il y aurait donc un lien entre les membres pro-apoptotiques de la famille Bcl-2 et la machinerie de fusion-fission des mitochondries. Depuis, les résultats de différents travaux suggèrent que Bax et Bak, mais également Bcl-2 et Bcl-X_L (B-cell lymphoma-extra large), régulent la morphologie mitochondriale en favorisant la fusion [ 9, 10, 23, 24]. On a ainsi montré que Bak interagit avec Mfn1 et Mfn2 [14], Bcl-X_L et Bcl-2 avec Mfn2 [ 25] et Bcl-X_L avec Drp1 [23].

Parallèlement à cette possible régulation de la morphologie des mitochondries par les membres de la famille Bcl-2, Bax et Bak sont aussi capables d’activer la fission induite par Drp1, et ce de façon indirecte. En effet, la PEMME déclenchée par Bax/Bak permet aussi la libération de DDP/TIMM8a dans le cytosol ; DDP/TIMM8a s’y fixe à Drp1 et lui permet de s’associer aux mitochondries pour activer la fission [ 26] (Figure 3C). Un blocage de la fusion mitochondriale se produit également très rapidement après la PEMME [13], qui permet d’expliquer la fragmentation mitochondriale au cours de l’apoptose. Comme la PEMME conduit à la dissociation des hétéro-oligomères d’OPA1 et à la libération de la forme courte et soluble d’OPA1 dans le cytosol [11], cette perte d’OPA1 pourrait alors être responsable de la fragmentation mitochondriale car une diminution de l’expression d’OPA1 conduit à une fragmentation des mitochondries [11].

On sait que les mitochondries peuvent être sélectivement éliminées lors de la mort cellulaire programmée (MCP), même en l’absence d’activation de caspases [ 27]. Cette élimination sélective des mitochondries (nommée mitoptose, ou plus couramment mitophagie) est augmentée dans les cellules où la fission induite par Drp1 est accrue, alors qu’au contraire, elle est empêchée dans les cellules où la fission induite par Drp1 est inhibée [26, 28]. Ceci suggère que la fission/fragmentation est une étape nécessaire à la mitophagie. De nombreux rapports ont décrit une mort cellulaire autophagique comme une forme alternative de MCP [ 29]. Comme la mitophagie débute après la PEMME induite par Bax/Bak, la mort cellulaire autophagique pourrait être également une conséquence de la PEMME [8]. Comme la mitophagie participe à cette forme de mort cellulaire alternative, des cellules dans lesquelles la mitophagie est augmentée sont plus sensibles à la mort cellulaire indépendante des caspases alors qu’au contraire, une diminution de la mitophagie rend les cellules plus résistantes à ce processus autophagique [26, 28].

Ainsi, en réponse à la PEMME induite par Bax/Bak, deux voies de mort cellulaire semblent être engagées. D’une part, le cytochrome c est libéré dans le cytoplasme, conduisant à l’activation des caspases et à l’apoptose [1]. D’autre part, d’autres protéines comme DDP/TIMM8a et OPA1 sont libérées avec le cytochrome c, ce qui déclenche respectivement l’activation de la fission [26] et un blocage de la fusion mitochondriales [11]. L’ensemble de ces événements aboutit à une fragmentation mitochondriale et finalement à une élimination sélective des mitochondries [26]. Dans des conditions normales, l’activation des caspases induit l’apoptose et la mort cellulaire en quelques heures. Cependant, quand l’activation des caspases est inhibée ou bien n’a pas lieu, la mitophagie se déroule et de fait participe à une voie alternative de mort cellulaire [8].

Il se produit invariablement une fragmentation du réseau mitochondrial au cours de l’apoptose, mais les mécanismes et la signification de ce processus ne sont pas encore clairement définis. En effet, il semble que des membres de la famille Bcl-2 interagissent avec des protéines de la machinerie de fusion et de fission des mitochondries. Cependant, de nouvelles études sont nécessaires pour explorer l’étendue de ces interactions et pour clarifier leur impact fonctionnel. De plus, la fragmentation n’est apparemment pas un déterminant majeur dans l’exécution de l’apoptose. Des études complémentaires doivent néanmoins permettre de déterminer avec précision l’impact de la fission mitochondriale dans la PEMME et la libération des facteurs apoptogènes comme le cytochrome c qui en résulte. L’implication du changement de morphologie des crêtes mitochondriales dans la libération complète du cytochrome c demeure un champ d’investigation très intéressant. Enfin, le rôle de la fragmentation mitochondriale dans la mitophagie et la mort cellulaire autophagique doit encore être exploré avec précision.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Nous tenons à remercier les associations qui nous financent : la Ligue contre le cancer (équipe labellisée), la Fondation pour la recherche médicale (FRM) et l’ANRS.