Cette voie est, au cours du temps, la première qui se met en place. Elle permet de ralentir momentanément la synthèse protéique afin d’éviter un afflux supplémentaire de protéines dans le RE. L’inhibition de la traduction s’effectue par l’intermédiaire de la kinase PERK qui lors d’un stress, dimérise et s’autophosphoryle en trans. La protéine ainsi activée phosphoryle la sous-unité α du facteur d’initiation de la traduction eiF-2 (eukaryotic translation initiation factor 2) [ 7] sur le résidu Ser⁵¹ empêchant la formation du complexe de pré-initiation de la traduction et donc l’interaction des ARNm avec la sous-unité 40S du ribosome. Curieusement, malgré le blocage de la synthèse protéique, la traduction de certains ARNm est augmentée lors de l’activation de la voie PERK/eiF2α. C’est le cas de l’ARNm codant le facteur de transcription ATF4, qui est un des acteurs de la réponse UPR. La traduction d’ATF4 est rendue possible par la présence dans sa partie 5’ non traduite de séquences uORF (upstream open reading frame) qui lui permettent d’être exprimé lors d’une inhibition de la synthèse protéique [ 8]. AFT4 est impliqué dans l’activation de la voie apoptotique en induisant l’expression de la protéine CHOP (CEBP homologous protein).

Il est important de noter que plusieurs kinases sont capables, en réponse à des stress cellulaires variés, de phosphoryler le facteur eiF-2α et donc d’activer le facteur de transcription ATF4. Ce sont les kinases GCN2, PKR et HRI qui sont respectivement induites par la carence en acides aminés, lors d’une infection virale par l’ARN double brin, ou par la carence en hème.

La réponse transcriptionnelle à un stress du RE va permettre d’activer un ensemble de gènes codant des protéines chaperons et des protéines impliquées dans la dégradation. Cette réponse est relayée par les protéines ATF6 et IRE1.

Lors d’un stress du RE, la dissociation de BiP/GRP78 du facteur ATF6 entraîne la migration de ce dernier du RE vers le Golgi où il subit un double clivage protéolytique par les protéases S1P et S2P. Le domaine amino-terminal d’ATF6 ainsi libéré, migre vers le noyau pour se fixer sur des séquences ERSE (ER stress response element). Ces séquences sont présentes dans les promoteurs de gènes codant des protéines majeures du RE comme les chaperons BiP/GRP78 et GRP94 et la protéine disulfide isomérase (PDI) catalysant la formation des ponts disulfures [ 9]. L’activation d’ATF6 permet ainsi d’accroître les capacités de repliement des protéines dans le RE.

La protéine IRE1 possède une activité sérine/thréonine kinase et endoribonucléase dans son domaine cytoplasmique [5]. La dissociation de Bip/GRP78 entraîne une oligomérisation et une induction de l’activité kinase d’IRE1, conduisant à son autophosphorylation en trans. Cette activation va permettre l’expression de son activité endoribonucléasique. La protéine IRE1 activée provoque l’épissage de l’ARNm d’un facteur de transcription appelé XBP-1 (un intron de 26 bases est clivé) ce qui change le cadre de lecture et rend l’ARNm traductible. La protéine XBP-1 ainsi traduite se lie sur des séquences ERSE des promoteurs cibles de la réponse UPR. XBP-1 active principalement la transcription de gènes codant des enzymes impliquées dans la voie de dégradation ERAD comme celui de la protéine EDEM (ER-degradation-enhancing α-mannosidase-like protein) impliquée dans la reconnaissance des protéines glycosylées mal conformées [ 10].

Quand tous les efforts mis en œuvre pour prendre en charge l’excès de protéines dans le RE ont échoué, la réponse UPR conduit à l’apoptose de la cellule [4, 11]. Les signaux apoptotiques sont produits à partir du RE par trois mécanismes. Le premier implique les protéines proapoptotiques Bak et Bax qui subissent un changement conformationnel lors d’un stress du RE entraînant un efflux de Ca²⁺ dans le cytosol. Le Ca²⁺ ainsi libéré active une protéase dépendante du Ca²⁺, la m-calpaïne qui à son tour clive et active la procaspase 12. La caspase 12 induit une cascade d’activation de la voie des caspases conduisant à l’apoptose. La seconde voie apoptotique implique la protéine CHOP qui, en inhibant l’expression de la protéine Bcl2, favorise l’apoptose de la cellule. Finalement, IRE-1, en formant un complexe hétérotrimérique avec TRAF-2 et ASK-1 (apoptosis signal-regulating kinase 1), active la c-Jun kinase (JNK) et la mort cellulaire.

La maturation terminale des lymphocytes B en plasmocytes (cellules productrices d’anticorps) s’accompagne d’une augmentation considérable de la surface du RE au sein de la cellule (multipliée par 5). Ce phénomène est probablement lié à la demande accrue de synthèse d’anticorps dans le plasmocyte. Cette différenciation terminale s’accompagne également d’une augmentation forte et rapide de l’expression du facteur de transcription XBP-1 suggérant un rôle de la réponse UPR dans ce processus final de différenciation. L’inactivation de XBP-1 dans les lymphocytes B a permis de démontrer son rôle majeur dans leur maturation [ 12]. Les lymphocytes déficients en XBP-1 ne se différencient pas en plasmocytes et ne produisent pas d’IgG. La ré-expression d’une forme épissée de XBP-1 dans les lymphocytes déficients en XBP-1 permet de restaurer une production quasi-normale d’IgG. Ainsi, la réponse UPR, via XBP-1, pourrait faire partie intégrante d’un programme de différenciation se mettant en place dans le lymphocyte B avant que celui-ci ne se mette à produire massivement des anticorps. Cela aurait pour but d’augmenter les capacités de prise en charge des protéines par le RE en accroissant notamment sa surface. La découverte récente du rôle de XBP-1 dans la voie de biosynthèse des phospholipides renforce cette hypothèse [ 13].

L’importance de la réponse UPR dans la physiopathologie du diabète a été mise en évidence par la découverte que des inactivations chez la souris ou chez l’homme de certains acteurs de la réponse UPR conduisent à un diabète sévère. L’exemple le plus démonstratif est celui d’une perte de fonction de la kinase PERK qui conduit chez l’homme au syndrome de Wolcott-Rallison, caractérisé par un diabète juvénile [ 14]. Les souris invalidées pour le gène PERK (PERK^−/− ) naissent avec des îlots de Langerhans normaux, mais développent dans les premières semaines de vie un diabète dû à une destruction des cellules β [ 15]. Les souris sauvages stimulent leur sécrétion d’insuline en réponse à une augmentation du glucose sanguin et déclenchent dans le même temps une réponse physiologique UPR au niveau de la cellule β afin de limiter la synthèse protéique et l’apport d’une trop grande quantité de proinsuline dans le RE. Au contraire, chez les souris PERK^−/− , cette réponse étant absente, la pro-insuline s’accumule dans le RE et entraîne une destruction de la cellule β par la voie apoptotique. L’importance de la voie eiF2α/PERK dans l’homéostasie de la cellule β est également démontrée par l’invalidation du co-chaperon P58^IPK ou DNAJC3, une protéine induite par la réponse UPR et qui joue un rôle dans le contrôle négatif de la protéine PERK. Les souris invalidées pour P58^IPK développent peu après le sevrage une hyperglycémie sévère s’expliquant également par une apoptose des cellules β [ 16].

Une autre forme de diabète juvénile, le syndrome de Wolfram, caractérisé par un diabète précoce sans réponse auto-immune, a également pour cause des troubles de l’homéostasie du RE. Le gène touché dans cette pathologie code une protéine transmembranaire du RE, la wolframine [ 17], qui semble jouer un rôle dans la régulation du Ca²⁺ intracellulaire. Les souris invalidées pour le gène de la wolframine dans la cellule β, développent rapidement une intolérance au glucose qui évolue vers un diabète dû à une apoptose des cellules β s’expliquant par une activation de la réponse UPR [ 18].

Ainsi, toute altération dans le développement d’une réponse UPR normale dans la cellule β conduit à un diabète sévère. Le modèle génétique de souris diabétiques Akita démontre clairement que la réponse UPR doit être contrôlée. Ces souris développent un diabète précoce dû à une réduction importante de la masse des cellules β. L’analyse génétique a permis de mettre en évidence une mutation conduisant à un changement d’acide aminé (cystéine 196 en tyrosine) au niveau d’un des gènes de l’insuline. Cette mutation empêche la formation d’un des deux ponts disulfures normalement présents dans la pro-insuline et conduit à la formation d’une proinsuline de structure tridimensionnelle différente qui s’accumule dans le RE [ 19] (Figure 3). L’apparition de l’hyperglycémie chez ces animaux s’accompagne d’une induction de l’expression de la protéine chaperon BiP/GRP78 et de la protéine CHOP dans les cellules β suggérant que la protéine mutante entraîne un stress du RE et une apoptose des cellules β. L’implication de la voie UPR dans l’apparition du diabète de la souris Akita a été confirmée en croisant les souris Akita avec des souris invalidées pour le gène CHOP. Chez ces animaux, la destruction des cellules β et l’apparition du diabète sont sensiblement retardées [ 20].

Des travaux récents suggèrent que la réponse UPR pourrait jouer un rôle important non seulement dans la cellule β mais également dans les tissus périphériques sensibles à l’insuline. En effet, il a été montré que la voie UPR était activée dans le foie et le tissu adipeux d’animaux obèses insulinorésistants comme les souris ob/ob ou les souris nourries avec un régime riche en graisse [ 21]. Cette activation aurait pour conséquence d’activer la voie JNK (voire la voie apoptotique) qui, en phosphorylant les protéines IRS (insulin receptor substrate) sur des résidus sérine, inhiberait la voie de signalisation de l’insuline (Figure 4).

La réponse UPR pourrait donc jouer un rôle central dans la physiopathologie du diabète de type 2 aussi bien au niveau de la sécrétion d’insuline qu’au niveau de la sensibilité à l’insuline des tissus périphériques. Cette voie pourrait se révéler dans les années futures comme une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement du diabète de type 2 et de l’obésité chez l’homme. Des travaux récents réalisés chez l’animal montrent en effet qu’une diminution de la réponse UPR permet d’améliorer la sensibilité à l’insuline chez des animaux obèses diabétiques. Ainsi la surexpression de la chaperone ORP150 (oxygen regulated protein) dans le foie de souris db/db diminue la réponse UPR observée dans le foie de ces animaux et améliore l’insulinosensibilté [ 22]. De la même façon, le traitement de souris ob/ob avec des chaperons chimiques comme l’acide 4-phényl butyrique ou des dérivés d’acides biliaires comme l’acide ursodésoxycholique, restaure une sensibilité à l’insuline des tissus périphériques et normalise la glycémie de ces animaux [ 23]. Ces composés, de la même façon que les protéines chaperons endogènes sont capables de stabiliser les protéines en cours de synthèse dans le RE, et d’augmenter les capacités de prise en charge des protéines mal repliées du RE.

Les maladies par expansion de polyglutamine (maladie de Huntington, ataxies cerébelleuses) et les maladies neurodégénératives (maladie d’Alzheimer et maladie de Parkinson) se caractérisent par une accumulation anormale de protéines dans les neurones. De nombreuses études indiquent que la pathogénicité de ces maladies serait due à des dysfonctionnements de la voie de dégradation par le protéasome qui conduiraient à une activation de la réponse UPR et à plus long terme à la mort cellulaire. Ainsi, dans l’ataxie spino-cérébelleuse de type III-l (maladie de Machado-Joseph), l’accumulation cytoplasmique de la protéine SCA3, en inhibant l’activité du protéasome, interfère avec la voie ERAD et déclenche une réponse UPR conduisant à l’activation de la caspase 12 et à l’apoptose de la cellule [ 24]. Ces résultats suggèrent que l’accumulation de protéines mal repliées dans le cytosplasme peut déclencher la réponse UPR.

La maladie d’Alzheimer est un désordre neurodégénératif caractérisé par un dépôt extracellulaire de substance amyloïde. La protéine β-amyloïde provient du clivage anormal d’une glycoprotéine membranaire appelée amyloid precursor protein (APP). Ce clivage est assuré par les présénilines 1 et 2 (PS-1et PS-2) qui sont des γ-sécrétases. Des mutations dans les gènes PS-1 et PS-2 et APP sont responsables des formes familiales juvéniles de la maladie d’Alzheimer. Il a été montré que PS-1 se lie directement sur IRE-1 au niveau des membranes du RE. L’expression de formes mutantes de PS-1 entraîne une diminution de la réponse UPR en diminuant l’autophosphorylation de IRE-1 ainsi que l’activation de PERK et ATF6 [ 25]. Ainsi, les neurones exprimant des formes mutées de PS-1 présentent une plus forte vulnérabilité face au stress ER.

En résumé, la réponse UPR est un mécanisme physiologique développé par toutes les cellules en réponse à une arrivée importante de protéines dans la lumière du RE. Des altérations dans la qualité ou dans l’intensité de la réponse UPR sont à l’origine de maladies très variées. Des recherches sont en cours pour identifier des composés permettant de moduler la réponse UPR. Elles ont abouti à partir du criblage de 19 000 composés, à l’identification du Salubrinal^® comme un régulateur de la réponse UPR. Le Salubrinal^® protège du stress ER induit pharmacologiquement ou par un virus de la famille de l’herpès en empêchant la déphosphorylation du facteur eiF2α [ 26]. Son efficacité dans le traitement de maladies comme le diabète ou les maladies neurodégénératives reste à démontrer.