C’est chez le nématode Caenorhabditis elegans que des gènes impliqués dans la mort cellulaire programmée ont d’abord été identifiés. Du fait de l’origine évolutive ancienne du processus d’apoptose [1] et de sa conservation au cours de l’évolution, il a pu être mis en évidence que l’oncogène bcl-2 et les gènes qui lui sont apparentés chez les mammifères sont des homologues des gènes ced-9 et egl-1 qui contrôlent la mort cellulaire programmée chez le nématode (Tableau 1). De même, les gènes de mammifères codant pour les caspases (cysteinyl aspartases) et les activateurs de caspases de type Apaf-1 sont respectivement des homologues de ced-3 [2] et de ced-4 [3]. Chez les mammifères, au contraire de ce qui est observé chez le nématode, la régulation et l’exécution de l’apoptose font intervenir des protéines codées par des familles multigéniques contenant plus d’une dizaine de membres comme, par exemple, les familles des gènes apparentés à bcl-2 et celle des caspases. L’évolution rapide de nos connaissances des mécanismes de l’apoptose résulte de la diversité des approches utilisées : biochimie, physiologie cellulaire in vitro et génétique des organismes modèles que sont le nématode et la drosophile. Nous nous efforcerons ici de faire le point sur l’apport de la drosophile pour l’étude de l’apoptose et de discuter la possibilité de transposition des données ainsi obtenues aux mammifères.

Tableau I. Fonctions des protéines impliquées dans la mort cellulaire programmée dépendante des caspases. Les trois familles de protéines impliquées dans l’apoptose chez le nématode sont conservées chez les mammifères et la drosophile : les protéines de nématode CED-3, -4 ,-9 (cell death) ont pour homologues, respectivement, les caspases, les adaptateurs/activateurs de caspase apparentés à Apaf-1 (apoptosis activating factor 1) et les protéines de la famille Bcl-2 (B cell lymphoma 2). Chez la drosophile et les mammifères, des protéines inhibitrices de caspases (IAP, inhibitor of apoptosis proteins) et des protéines permettant de lever cette inhibition participent aussi au contrôle de l’activité des caspases.

Tableau I. Fonctions des protéines impliquées dans la mort cellulaire programmée dépendante des caspases. Les trois familles de protéines impliquées dans l’apoptose chez le nématode sont conservées chez les mammifères et la drosophile : les protéines de nématode CED-3, -4 ,-9 (cell death) ont pour homologues, respectivement, les caspases, les adaptateurs/activateurs de caspase apparentés à Apaf-1 (apoptosis activating factor 1) et les protéines de la famille Bcl-2 (B cell lymphoma 2). Chez la drosophile et les mammifères, des protéines inhibitrices de caspases (IAP, inhibitor of apoptosis proteins) et des protéines permettant de lever cette inhibition participent aussi au contrôle de l’activité des caspases.

Chez la drosophile, l’étude génétique de l’apoptose n’a commencé qu’au début des années 1990 avec la découverte de l’importance fondamentale de la région chromosomique 75C dans la mort cellulaire programmée survenant au cours du développement ou induite par une

irradiation [4]. Cette région contient quatre gènes sans homologues connus chez les mammifères : rpr (reaper), hid (head involution defective), grim et sickle [5]. Les protéines RPR, HID et GRIM sont apparentées : leur domaine N-terminal est fortement conservé, et les partenaires nécessaires à leur activité pro-apoptotique sont sans doute conservés puisque l’expression de RPR, HID et GRIM dans des cellules de mammifères ou des systèmes acellulaires de vertébrés induit l’apoptose. L’apoptose induite par ces trois protéines peut être inhibée par les inhibiteurs de caspases comme la protéine de baculovirus p35 ou les protéines de type IAP (inhibitor of apoptosis protein) que sont DIAP1, DIAP2 et la Détérine chez la drosophile [6] ou c-IAP1 et c-IAP2 chez les mammifères [7]. La protéine DIAP1 inhibe les caspases avec lesquelles elle interagit via son domaine BIR1 (baculovirus IAP repeat). RPR, HID et GRIM sont capables de supprimer cette inhibition en se liant au domaine BIR2 de DIAP1 [8]. Ces observations ont conduit à un modèle d’induction de l’apoptose dans lequel RPR, HID et GRIM agissent en levant l’inhibition des caspases par les IAP (Figure 1).

Figure 1. Modèle d’action des molécules impliquées dans le programme de mort cellulaire chez la drosophile. Les protéines RPR, HID et GRIM permettent l’activation des caspases en se liant aux protéines de type IAP (inhibitor of apoptosis protein), ce qui libère les pro-caspases. Bax et son homologue Dbok agiraient sur la mitochondrie, activant ainsi la voie cytochrome c/Dapaf-1 et une voie indépendante des caspases qui pourrait par exemple faire intervenir l’homologue du facteur AIF (apoptosis inducing factor) de mammifère. La question de l’existence d’un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2 chez la drosophile reste posée mais l’inhibition de l’apoptose par la protéine Bcl-2 humaine est associée au maintien de l’homéostasie mitochondriale. Enfin, la protéine DFADD, est probablement impliquée dans une voie de type récepteur de mort permettant l’activation des caspases.

Figure 1. Modèle d’action des molécules impliquées dans le programme de mort cellulaire chez la drosophile. Les protéines RPR, HID et GRIM permettent l’activation des caspases en se liant aux protéines de type IAP (inhibitor of apoptosis protein), ce qui libère les pro-caspases. Bax et son homologue Dbok agiraient sur la mitochondrie, activant ainsi la voie cytochrome c/Dapaf-1 et une voie indépendante des caspases qui pourrait par exemple faire intervenir l’homologue du facteur AIF (apoptosis inducing factor) de mammifère. La question de l’existence d’un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2 chez la drosophile reste posée mais l’inhibition de l’apoptose par la protéine Bcl-2 humaine est associée au maintien de l’homéostasie mitochondriale. Enfin, la protéine DFADD, est probablement impliquée dans une voie de type récepteur de mort permettant l’activation des caspases.

Chez C. elegans, les mitochondries semblent ne jouer aucun rôle ou seulement un rôle mineur dans l’apoptose. Au contraire, chez les mammifères, on observe au cours de l’apoptose une augmentation de la perméabilité des membranes mitochondriales conduisant au flux sortant de protéines de l’espace intermembranaire vers le cytoplasme [9, 10]. C’est le cas du cytochrome c, de Smac/DIABLO, de AIF (apoptosis inducing factor), de l’endonucléase G et de Omi/HtrA2. L’association du cytochrome c ainsi relargué des mitochondries avec la protéine Apaf-1 conduit à la formation d’un complexe cytochrome c/Apaf-1/caspase 9 appelé « apoptosome » permettant l’activation de la caspase 9. Les protéines de la famille Bcl-2 sont les principaux modulateurs du relargage dans le cytoplasme des molécules pro-apoptotiques mitochondriales ainsi que de l’activation de l’apoptosome.

Dans un système acellulaire constitué d’extraits d’œufs de xénope, RPR et la protéine cytosolique Scythe de xénope coopèrent pour induire le relargage du cytochrome c [11]. Scythe se lie également à GRIM et à HID, et un homologue de scythe a été découvert chez D. melanogaster [12].

Cependant, deux études menées chez la drosophile s’opposent quant à la relocalisation du cytochrome c hors de la mitochondrie lors de l’apoptose. À partir d’expériences de fractionnement cellulaire, une étude suggère que la surexpression de rpr induit une activation des caspases associée à un flux sortant de cytochrome c [13]. Au contraire, la seconde ne détecte aucun relargage du cytochrome c hors de la mitochondrie dans les cellules S2 et lors de l’apoptose des cellules nourricières au cours de l’ovogenèse. Cependant, dans ces cellules, l’expression de rpr ou de grim déclenche une activité caspase qui provoque l’exposition d’un épitope du cytochrome c, un événement qui précède les premiers signes d’apoptose [14]. Cette exposition d’épitope pourrait refléter une modification des protéines associées au cytochrome c ou un changement de sa conformation. Des études complémentaires restent donc nécessaires afin de déterminer si un relargage du cytochrome c est impliqué dans l’apoptose chez la drosophile.

Les interactions de RPR, HID et GRIM avec les membres de la famille Bcl-2 dans des systèmes hétérologues suggèrent l’existence d’une voie d’apoptose mitochondriale chez la drosophile. En effet, l’apoptose induite par surexpression de rpr chez la mouche est inhibée par Bcl-2 et, comme chez les mammifères, cette inhibition est associée au maintien de l’homéostasie mitochondriale [15]. De plus, au cours de l’apoptose de cellules en culture, il y a transfert de GRIM et de HID à la mitochondrie, événement sans doute essentiel puisque Bcl-x_L, qui inhibe l’activité pro-apoptotique de HID, inhibe également sa relocalisation mitochondriale. L’ensemble de ces résultats suggère qu’une voie mitochondriale d’induction de l’apoptose par rpr, hid et grim pourrait exister chez la drosophile.

Un homologue de la protéine Apaf-1/Ced-4, appelé DARK, HAC-1 ou Dapaf-1, a été caractérisé chez la drosophile par plusieurs laboratoires [13, 16, 17]. L’analyse de mutants de Dapaf-1 et des expériences d’interférence par ARN double-brin montrent que l’expression de ce gène est requise pour le maintien d’un profil normal d’apoptose au cours de l’embryogenèse [13, 16].

Par ailleurs, l’apoptose induite par une surexpression de RPR, HID ou GRIM dans l’œil de drosophile semble faire intervenir Dapaf-1 [16, 17]. RPR, HID, GRIM et Dapaf-1 agiraient donc dans une même voie d’induction de l’apoptose, et le cytochrome c pourrait être le lien entre RPR, HID et GRIM d’une part et Dapaf-1 d’autre part.

Le mode d’action de Dapaf-1 est-il le même que celui de la protéine Apaf-1 ? Dapaf-1 existe sous deux formes, Dapaf-1S et Dapaf-1L, issues d’un épissage alternatif. Comme Apaf-1, Dapaf-1L contient des répétitions WD (tryptophane-aspartate) nécessaires à la régulation de son activité par le cytochrome c. En revanche, Dapaf-1S en est dépourvu, ce qui le rapproche de CED-4 de ce point de vue. Par conséquent, DAPAF-1L et DAPAF-1S pourraient représenter deux voies d’activation des caspases dont une seulement serait dépendante du cytochrome c [13].

S’il existe un homologue de la protéine Apaf-1 chez l’insecte, on pouvait se poser la question de l’existence d’un homologue de Bcl-2/Ced-9. Au début de l’année 2000, la publication de la séquence du génome de D. melanogaster a permis d’identifier deux membres présomptifs de la famille bcl-2. Seul l’un d’eux a été étudié, appelé debcl, dborg-1, dbok ou drob-1 [18–21]. La protéine codée par ce gène est plus proche de la protéine pro-apoptotique Bok que de tout autre membre de la famille Bcl-2 découvert jusqu’à présent, aussi la nommerons-nous Dbok.

Comme Bok, Dbok a une structure proche de celle de Bax, contient les domaines BH (Bcl-2 homology) 1 à 3 et un domaine d’ancrage aux membranes. La technique d’interférence par ARN double-brin a permis de montrer que cette protéine est nécessaire à la mort cellulaire au cours de l’embryogenèse [20]. Comme la plupart des membres de sa famille, Dbok est localisée au niveau des membranes intracellulaires, et principalement des membranes mitochondriales, dans les cellules de mammifères et de drosophile [19, 21]. L’utilisation de cellules de mammifères a également permis d’observer que la mort induite par Dbok est inhibée par Bcl-2 et Bcl-x_L [20]. De plus, Dbok s’associe spécifiquement aux membres anti-apoptotiques de la famille Bcl-2, et pas à ses membres pro-apoptotiques.

L’étude des interactions génétiques entre dbok et les autres modulateurs de l’apoptose connus chez la drosophile indique que Dbok et Dapaf-1 agiraient dans la même voie d’induction de l’apoptose alors que RPR, HID et GRIM correspondraient à une voie d’induction différente [20]. L’importance des caspases dans la mort induite par Dbok n’est toutefois pas clairement établie et il est probable que Dbok peut induire l’apoptose, comme Bax chez les mammifères, par deux voies dont l’une serait indépendante des caspases (Figure 1).

Un homologue de la protéine suppresseur de tumeur p53, Dmp53, a été identifié chez la drosophile [22, 23]. Les domaines d’activation de la transcription et de fixation à l’ADN de la protéine p53 humaine sont conservés dans Dmp53. Cependant, Dmp53 possède une région N-terminale qui lui est spécifique, et qui ne contient pas de site de liaison à la protéine MDM2, un facteur de régulation négatif de la protéine p53 non identifié chez la drosophile.

Bien que la surexpression de Dmp53 induise l’apoptose in vitro et in vivo chez la drosophile, l’utilisation de mutants dominant négatif de Dmp53 indique que cette protéine n’est pas absolument nécessaire au processus d’apoptose observé au cours du développement. Elle est néanmoins indispensable à l’induction de l’apoptose in vivo après irradiation, condition dans laquelle elle active la transcription de rpr. Toutefois, l’inactivation de rpr ou l’expression de l’inhibiteur de caspase p35 n’affectent pas l’apoptose induite par une surexpression de Dmp53 [22–24]. L’aptitude de p53 à induire une mort cellulaire indépendante des caspases est également caractéristique de la protéine p53 du nématode C. elegans [25].

La Dmp53 diffère aussi de la p53 des vertébrés par sa capacité d’induction de l’apoptose sans arrêt du cycle cellulaire. L’expression d’un mutant dominant négatif de Dmp53 dans des cellules irradiées n’abolit pas le blocage du cycle cellulaire induit par irradiation et, contrairement à la situation observée chez les mammifères, la protéine Dmp53 n’active pas la transcription de p21/dacapo, un inhibiteur des kinases dépendantes des cyclines. Le blocage du cycle cellulaire de cellules irradiées serait donc indépendant de Dmp53. Chez C. elegans aussi, p53 peut induire l’apoptose en l’absence d’effet sur le cycle cellulaire [26], ce qui suggère que le contrôle du cycle cellulaire par les protéines de la famille p53 chez les vertébrés serait apparu après la dichotomie arthropodes/vertébrés. L’étude de la protéine p53 chez les invertébrés offre donc des modèles d’apoptose dépendante de p53 mais déconnectée du cycle cellulaire.

Les mécanismes qui contrôlent l’induction et l’exécution de l’apoptose chez la drosophile et les mammifères présentent donc de très nombreux points communs. Comme chez les mammifères, l’induction de la mort cellulaire chez la drosophile peut emprunter différentes voies, qui impliquent ou non la mitochondrie. Par ailleurs, une voie d’apoptose semblable à celle que déclenche l’activation des récepteurs « de mort » de la famille CD95 (Fas) chez les mammifères semble exister chez la drosophile [27], mais l’importance de cette voie et sa relation avec les protéines RPR, HID et GRIM ne sont pas encore connues. L’apport essentiel de la drosophile à l’étude de l’apoptose est probablement lié à la découverte des gènes rpr, hid et grim. Bien que l’existence d’homologues de RPR, HID et GRIM chez les mammifères soit encore spéculative, des résultats récents rapprochent les voies de signalisation et d’exécution de l’apoptose chez la drosophile de celles décrites chez les mammifères. En effet, la protéine Smac/DIABLO de mammifères semble participer à l’activation des caspases selon un mécanisme proche de celui qui est mis en jeu par RPR, HID et GRIM. Cette protéine, séquestrée dans l’espace intermembranaire des mitochondries des cellules vivantes, migre dans le cytoplasme au cours de l’apoptose, interagit avec des IAP et participe à l’activation des caspases ainsi libérées de l’effet inhibiteur des IAP [28]. La différence essentielle avec les protéines de drosophile, qui sont cytoplasmiques, réside dans le fait que Smac/DIABLO est localisée dans l’espace intermembranaire des mitochondries et qu’elle migre dans le cytoplasme après l’induction de l’apoptose, contribuant ainsi à l’activation des caspases. L’importance de RPR, HID, GRIM et SICKLE dans le contrôle de l’apoptose chez la drosophile laisse entrevoir que d’autres protéines homologues non encore caractérisées pourraient jouer un rôle majeur chez les mammifères.

Une autre découverte originale faite chez la drosophile concerne l’existence de caspases dont l’activité protéasique est insensible à p35 [29]. L’existence de telles caspases chez les mammifères pourrait expliquer pourquoi certaines morts cellulaires sont insensibles aux inhibiteurs de caspases. Une activité de ce type pourrait peut-être expliquer le rôle de la caspase 9 dans la mort cellulaire non apoptotique ou paraapoptose [30].

Par ailleurs, chez la drosophile, le mode d’action des protéines de la famille Bcl-2 et les interactions qui régissent ces voies in vivo restent à préciser. Aucun membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2 n’a encore été identifié chez cet organisme (Tableau I). Néanmoins, l’expression hétérologue des gènes bcl-2 et bax de mammifères montre que ces protéines sont fonctionnelles chez la drosophile [31]. De plus, rpr et bax déclenchent deux voies différentes d’induction d’apoptose [15]. Toutes deux affectent la mitochondrie et sont inhibées par l’expression du gène bcl-2 humain. Par conséquent, la drosophile fournit un modèle de choix pour l’étude du contrôle de l’apoptose et, en particulier, du mode d’action de l’oncogène bcl-2.

En conclusion, tout comme l’approche génétique chez le nématode, qui a permis de caractériser les gènes impliqués dans l’exécution du programme de mort cellulaire, l’identification des gènes de mammifères apparentés à rpr et aux iap permet d’espérer que l’étude génétique de l’apoptose chez la drosophile permettra d’identifier des voies de signalisation et de régulation conservées chez les mammifères.

Les auteurs remercient Jean-Luc Vayssière pour sa lecture critique du manuscrit. Nos travaux bénéficient du soutien de la LCC (Comité des Yvelines) et de l’ARC (contrat 4480).