De la naissance à la vieillesse, la mort cellulaire est une composante essentielle de la vie. Sans un type crucial de mort cellulaire appelé apoptose, les animaux accumuleraient trop de cellules, ce qui pourrait conduire au cancer ou à des maladies auto-immunes. Cependant, un contrôle précis est vital, car une apoptose mal dirigée peut avoir des conséquences désastreuses, contribuant à de nombreuses maladies neurodégénératives.
En étudiant le ver rond microscopique Caenorhabditis elegans — récemment récompensé par un quatrième prix Nobel — des chercheurs de l’Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau du MIT ont commencé à élucider un mystère ancien concernant les facteurs qui régulent l’apoptose : comment une protéine capable d’empêcher la mort cellulaire programmée peut également la favoriser. Leur étude, dirigée par Robert Horvitz, professeur de biologie David H. Koch au MIT, et publiée le 9 octobre dans le journal Avancées scientifiques, éclaire le processus de mort cellulaire dans les contextes de santé et de maladie.
« Ces découvertes, réalisées par l’étudiant diplômé Nolan Tucker et l’ancien étudiant diplômé Peter Reddien, aujourd’hui membre du corps professoral du MIT, ont révélé qu’une interaction protéique longtemps considérée comme bloquant l’apoptose chez C. elegans a probablement l’effet inverse », explique Horvitz, également chercheur au Howard Hughes Medical Institute et au McGovern Institute. Horvitz a partagé le prix Nobel 2002 de physiologie ou médecine pour ses découvertes sur les gènes contrôlant la mort cellulaire chez C. elegans.
Mécanismes de mort cellulaire
Horvitz, Tucker, Reddien et leurs collègues ont apporté des informations fondamentales sur l’apoptose en utilisant C. elegans pour analyser les mécanismes qui conduisent à l’apoptose, ainsi que ceux qui déterminent comment les cellules s’assurent que l’apoptose se produit au bon moment et au bon endroit. Contrairement aux humains et autres mammifères, qui dépendent de dizaines de protéines pour contrôler l’apoptose, ces vers n’en utilisent que quelques-unes. Et quand les choses tournent mal, c’est facilement observable : un manque d’apoptose se traduit par un excès de cellules dans le corps translucide des vers, tandis qu’un excès d’apoptose entraîne des déficiences biologiques ou, dans les cas extrêmes, une incapacité à se reproduire ou une mort pendant le développement embryonnaire.
Les travaux du laboratoire Horvitz ont défini les rôles de nombreux gènes et protéines qui contrôlent l’apoptose chez les vers. Ces régulateurs ont des homologues dans les cellules humaines, et pour cette raison, les études sur les vers ont aidé à comprendre comment les cellules humaines régulent la mort cellulaire et ont suggéré des cibles potentielles pour le traitement des maladies.
Le double rôle d’une protéine
Trois des principaux régulateurs de l’apoptose chez C. elegans favorisent activement la mort cellulaire, tandis qu’un seul, CED-9, contrôle les protéines pro-apoptotiques pour maintenir les cellules en vie. Cependant, dès les années 1990, Horvitz et ses collègues ont reconnu que CED-9 n’était pas uniquement un protecteur des cellules. Leurs expériences ont montré que la protéine protectrice joue également un rôle dans la mort cellulaire. Mais alors que les chercheurs pensaient comprendre comment CED-9 protégeait contre l’apoptose, son rôle pro-apoptotique restait déroutant.
Le double rôle de CED-9 signifie que les mutations du gène qui le code peuvent influencer l’apoptose de plusieurs manières. La plupart des mutations ced-9 perturbent la capacité de la protéine à protéger contre la mort cellulaire, entraînant une apoptose excessive. À l’inverse, les mutations qui activent anormalement ced-9 provoquent trop peu de mort cellulaire, tout comme les mutations qui inactivent l’un des trois gènes tueurs.
Une mutation atypique de ced-9, identifiée par Reddien alors qu’il était doctorant dans le laboratoire de Horvitz, a suggéré comment CED-9 favorise la mort cellulaire. Cette mutation a modifié la partie de la protéine CED-9 qui interagit avec la protéine CED-4, qui est pro-apoptotique. Comme la mutation réduit spécifiquement l’apoptose, cela suggère que CED-9 doit interagir avec CED-4 pour favoriser la mort cellulaire.
L’idée était particulièrement intrigante car les chercheurs pensaient depuis longtemps que l’interaction de CED-9 avec CED-4 avait l’effet inverse : dans le modèle canonique, CED-9 ancre CED-4 aux mitochondries des cellules, séquestrant la protéine tueuse CED-4 et l’empêchant de s’associer et d’activer un autre tueur clé, la protéine CED-3, empêchant ainsi l’apoptose.
Pour tester l’hypothèse selon laquelle les interactions de CED-9 avec la protéine tueuse CED-4 améliorent l’apoptose, l’équipe avait besoin de davantage de preuves. Ainsi, l’étudiant diplômé Nolan Tucker a utilisé les outils d’édition génétique CRISPR pour créer davantage de vers présentant des mutations dans CED-9, chacun ciblant un endroit différent dans la région de liaison CED-4. Puis il examina les vers. « Ce que j’ai vu avec cette classe particulière de mutations, c’était des cellules supplémentaires et une viabilité », dit-il – des signes clairs que le CED-9 modifié protégeait toujours contre la mort cellulaire, mais ne pouvait plus la promouvoir. « Ces observations soutiennent fortement l’hypothèse selon laquelle la capacité à lier CED-4 est nécessaire à la fonction pro-apoptotique de CED-9 », explique Tucker. Leurs observations suggèrent également que, contrairement à une idée antérieure, CED-9 n’a pas besoin de se lier à CED-4 pour se protéger contre l’apoptose.
Lorsqu’il a examiné l’intérieur des cellules des vers mutants, Tucker a trouvé des preuves supplémentaires que ces mutations empêchaient la capacité du CED-9 à interagir avec le CED-4. Lorsque CED-9 et CED-4 sont intacts, CED-4 semble associé aux mitochondries des cellules. Mais en présence de ces mutations, CED-4 se trouvait plutôt à la limite du noyau cellulaire. La capacité du CED-9 à lier le CED-4 aux mitochondries semblait être nécessaire pour favoriser l’apoptose et non pour s’en protéger.
Regarder vers l’avenir
Alors que les découvertes de l’équipe commencent à expliquer une question restée longtemps sans réponse sur l’un des principaux régulateurs de l’apoptose, elles en soulèvent également de nouvelles. « Je pense que cette voie principale de l’apoptose a été considérée par beaucoup de gens comme une science plus ou moins établie. Nos résultats devraient changer ce point de vue », déclare Tucker.
Les chercheurs voient des parallèles importants entre les résultats de cette étude sur les vers et ce que l’on sait des voies de mort cellulaire chez les mammifères. L’homologue mammifère du CED-9 est une protéine appelée BCL-2, dont les mutations peuvent conduire au cancer. BCL-2, comme CED-9, peut à la fois favoriser et protéger contre l’apoptose. Comme pour CED-9, la fonction pro-apoptotique de BCL-2 est mystérieuse. Chez les mammifères également, les mitochondries jouent un rôle clé dans l’activation de l’apoptose. La découverte du laboratoire Horvitz ouvre la voie à une meilleure compréhension de la manière dont l’apoptose est régulée non seulement chez les vers mais également chez les humains, et comment une dérégulation de l’apoptose chez l’homme peut conduire à des troubles tels que le cancer, les maladies auto-immunes et la neurodégénérescence.
