• Comportement du chien et
    du chat
  • Celui qui connait vraiment les animaux est par là même capable de comprendre pleinement le caractère unique de l'homme
    • Konrad Lorenz
  • Biologie, neurosciences et
    sciences en général
  •  Le but des sciences n'est pas d'ouvrir une porte à la sagesse infinie,
    mais de poser une limite à l'erreur infinie
    • La vie de Galilée de Bertold Brecht

Mitochondries
Canaux de la membrane externe : VDAC et apoptose intrinsèque

Sommaire

Chez les Eucaryotes, les VDAC (Voltage Dependent Anion Channel) sont des porines, qui, sans nul doute, sont les canaux les plus importants de la membrane externe mitochondriale (OMM) pour les petites molécules hydrophiles.

Ces canaux permettent le passage :

  • du pyruvate ou autre succinate,
  • des nucléotides comme l'ATP et l'ADP, mais aussi l'UTP et le GTP, mais peut-être aussi des molécules linéaires d'ADN,
  • des acides aminés.
VDAC sur la membrane mitochondriale externe
VDAC sur la membrane mitochondriale externe
(Figure : Goncalves et coll)
bien

Ces VDAC laissent passer presque tous les métabolites entrant ou quittant la mitochondrie, si bien qu'il est quelquefois qualifié de " gouverneur mitochondrial ".

  • De grosses protéines ou des protéines repliées ne peuvent pas passer : c'est les cas du cytochrome c qui, par son passage dans le cytosol, provoque le début de l’apoptose.
  • L'oxygène et les acides gras courts, composés lipophiles, traversent eux toutes les membranes contenant des phospholipides

Les VDAC participeraient à la détermination des interactions protéiques intermoléculaires contrôlant l'apoptose dite intrinsèque, mais par quel processus ?

Vue d'ensemble

1. La MPT (Mitochondrial Permeability Transition) est la perméabilisation soudaine de la membrane mitochondriale interne (IMM, Inner mitochondrial membrane) en réponse à un stimulus nociceptifs tels que le stress oxydatif, la surcharge en ions $\ce{Ca++}$, l'hypoxie et les médicaments cytotoxiques.Mitochondrial Permeability Transition Pore

2. La MPT est reliée à l'ouverture du pore MPT (MPTP, Mitochondrial Permeability Transition Pore), complexe protéique inconnu précisément et faisant l'objet de nombreuses recherches actuellement, pore qui traverse à la fois la membrane mitochondriale interne et la membrane mitochondriale externe (OMM).

Comme le VDAC étant la protéine la plus abondante de la membrane mitochondriale externe, on a cru qu'il pouvait faire partie de la composante externe du MPTP. En effet, il pouvait y avoir des ressemblance au niveau :

  • des propriétés de la conductance,
  • des réactions redox,
  • de sa sensibilité au $\ce{Ca++}$, à la tension, à l'ATP/ADP et au pH.
VDAC et apoptose
VDAC et apoptose
(Figure : vetopsy.fr d'après Shoshan-Barmatz et coll)
attention

De nombreuses études ont confirmé que le VDAC n'est pas forcément un composant du MPTP (Voltage-Dependent Anion Channels are Dispensable for Mitochondrial-Dependent Cell Death 2007).

Rôle du VDAC

Pourtant, les VDAC ont un rôle dans cette MPTP sans que le mécanisme soit bien compris. On connaît trois modèles dont les deux premiers sont peu crédibles à l'heure actuelle (The Role of VDAC in Cell Death: Friend or Foe? 2012).

1. Le VDAC est un composant de la MPTP et provoque donc la libération du cytochrome c indirectement par le gonflement et la rupture des mitochondries.

Les mitochondries qui ne possèdent pas de VDAC présentent une MPT normale.

Trois modèles du rôle des VDAC dans l'apoptose
Trois modèles du rôle des VDAC dans l'apoptose
(Figure : vetopsy.fr d'après McCommis et et coll)

2. Le VDAC et/ou le VDAC/Bax/Bak subissent une oligomérisation, i.e. le canal est donc plus large pour pouvoir libérer le cytochrome c.

  • Or, les mitochondries qui ne possèdent pas de VDAC présentent une MPT accélérée en réponses à des stimuli apoptotiques.
  • L'interaction de VDAC avec Bax ou Bak est limitée et est sujette à caution.

Les protéines de la famille Bcl-2 sont des protéines conservées par l'évolution qui contiennent des domaines BH - Bcl-2 Homology - (BH1 à BH4) et qui régulent l'apoptose.

  • Cette famille contient environ 25 membres dont Bcl-2 (B-cell lymphoma 2), Bcl-xL, Bcl-w, BAX (Bcl-2-Associated X protein ou bcl-2-like protein 4), BAK (Bcl-2 homologous antagonist killer), Mcl-1 (Induced myeloid leukemia cell differentiation protein), A1, BAD (Bcl-2-associated death promoter), BID (BH3 interacting-domain death agonist), BIK (Bcl-2-interacting killer), BiM (Bcl-2-like protein 11)…
  • Ces membres régulent soit positivement, soit négativement l'apoptose par leur dimérisation : alors que Bcl-2/Bcl-2 et Bcl2/Bax inhiberaient l'apoptose, Bax/Bax la promouvrait en augmentant la taille des pores et entraîner la perméabilisation de la membrane et la libération de facteurs pro-apoptotiques tels que le cytochrome C dans le cytoplasme (Oligomeric states of the voltage-dependent anion channel and cytochrome c release from mitochondria 2005 et Apoptosis: it's BAK to VDAC 2009).

3. Le VDAC est maintenu fermé par les agents apoptotiques inhibent le flux de l'ATP/ADP qui le traverse, provoquant ainsi la perméabilité mitochondriale et la mort cellulaire.

bien

Les VDAC modulent la perméabilité de la membrane mitochondriale externe et donc la libération de protéines intermembranaires et l'apoptose, grâce à plusieurs métabolites, bien que les mécanismes soient encore discutés.

Régulateurs du VDAC

Les VDAC se lient à différentes molécules qui modulent leur conductance comme :

  • Interaction VDAC/ATP
    Interaction VDAC/ATP
    (Figure : vetopsy.fr d'après Shuvo et coll)
    l'ATP/ADP et la NADH,
  • le glutamate,
  • l'hexokinase,
  • les ROS,
  • le TSPO ou PBR, récepteur périphérique des benzodiazépines ;
  • la tubuline.

1. Des sites de liaison pour les intermédiaires des voies de la respiration cellulaire permettent des régulations pour s'ajuster aux besoins énergétiques de la cellule.

La NADH, l'ADP et l'ATP inhibent la MPT.

2. Un site de liaison au glutamate serait aussi présent sur le VDAC (Glutamate interacts with VDAC and modulates opening of the mitochondrial permeability transition pore 2004).

3. L'hexokinase, enzyme glycolytique (louperéaction 1 de la glycolyse et régulation de la glycolyse), qui phosphoryle le glucose pour former du glucose-6-phosphate, possède, dans son extrémité N-terminale (isoformes HK1 et HK2, cette dernière étant souvent prédominante dans les cancers), une première hélice α hydrophobe de 21 acides, le MBP (mitochondrial-binding peptide), pour se lier aux VDAC (mitochondrial-binding peptide (MBP)

Structure de l'héxokinase 2 (HK2) humaine
Structure de l'héxokinase 2 (HK2) humaine
(Figure : vetopsy.fr d'après Nawaz et coll)

Cette interaction lie la glycolyse à la phosphorylation oxydative. La liaison de HK1 au VDAC augmente l'efficacité catalytique des deux processus (Effect of the antitumoral alkylating agent 3-bromopyruvate on mitochondrial respiration: role of mitochondrially bound hexokinase 2012) :

L'hexokinase inhibe la libération du cytochrome c et l'apoptose avec ou sans Bax ou Bac (Hexokinase-Mitochondria Interaction Mediated by Akt Is Required to Inhibit Apoptosis in the Presence or Absence of Bax and Bak 2004).

L'hexokinase mitochondriale inhibe la fermeture des VDAC, et non pas l'inverse comme le laisse penser certaines publications.

Cette interaction pourrait être profitable pour la mise en place de traitements anticancéreux (Targeting VDAC-bound hexokinase II: A promising approach for concomitant anti-cancer therapy 2018)

4. Les ROS (Reactive Oxygen Species) sont aussi impliqués dans la mort cellulaire (loupedérivés réactifs de l'oxygène).

L'augmentation de la concentration en $\ce{Ca++}$ produit des ROS sans que le mécanisme exact soit très clair.

5. Le TSPO (18kDa translocator protein) ou PBR (Peripheral Benzodiazepine Receptor, récepteur périphérique des benzodiazépines), est exprimé sur la membrane mitochondriale externe et a plusieurs fonction :

  • régulation du transport du cholestérol et la synthèse des hormones stéroïdiennes,
  • régulation du transport de la porphyrine et de la synthèse de l'hème,
  • transport d'anions, régulation des fonctions mitochondriales et immunomodulalation,
  • apoptose, prolifération cellulaire.
Interaction VDAC/tubuline libre
Interaction VDAC/tubuline libre
(Figure : vetopsy.fr d'après Rostovtseva et coll)

TSPO interagit avec VDAC pour modifier ses propriétés (VDAC activation by the 18 kDa translocator protein (TSPO), implications for apoptosis 2008).

TSPO a été impliqué dans la production de ROS dans les modèles de neurodégénérescence et de cancer (Translocator protein (18 kDa): new nomenclature for the peripheral-type benzodiazepine receptor based on its structure and molecular function 2006).

6. La tubuline libre se lie aux mitochondries via le VDAC, diminue la conductance des VDAC et peut conduire à la mort cellulaire (Tubulin binding blocks mitochondrial voltage-dependent anion channel and regulates respiration 2008).

Ce processus pourrait expliquer l'effet Warburg par l'excès de production de tubuline qui a pour but d'augmenter la vitesse de division des cellules cancéreuses (Free Tubulin Modulates Mitochondrial Membrane Potential in Cancer Cells 2011).

conclusion

Toutes ces données semble confirmer le troisième modèle et démontre que c'est bien la fermeture du VDAC et donc, la rupture du flux ATP/ADP qui provoque le gonflement et la rupture mitochondriale, i.e. la mort cellulaire, sans que processus soit clairement établi.

Les recherches futures pourraient être orientées sur les relations entre les protéines et les lipides de la membrane mitochondriale externe (ratio de 1/100).

Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014