L’insaturation des acides gras favorise l’activité des pores formés par Bax et Bak durant l’apoptose

Contexte

L’apoptose est la principale voie de mort cellulaire programmée, impliquée dans des processus biologiques fondamentaux tels que le développement embryonnaire, l’homéostasie tissulaire et la fonction du système immunitaire. Une dérégulation de l’apoptose peut conduire à des maladies neurodégénératives et des cancers, et la plupart des chimiothérapies anticancéreuses dépendent de l’induction de l’apoptose des cellules tumorales. La perméabilisation de la membrane externe mitochondriale (MOMP) est un événement clé de la voie apoptotique mitochondriale, permettant la libération de facteurs pro-apoptotiques comme le cytochrome c dans le cytosol, activant les caspases et finalement la mort cellulaire. Cependant, la structure moléculaire du pore apoptotique reste mal comprise, en particulier la contribution des lipides dans le MOMP.

Les protéines pro-apoptotiques Bax et Bak de la famille Bcl-2 sont des effecteurs clés régulant le MOMP. Dans les cellules saines, Bax est principalement cytosolique tandis que Bak est lié à la membrane externe mitochondriale (MOM). Lors de l’apoptose, Bax et Bak s’oligomérisent au niveau de la MOM, subissent un changement de conformation et forment des pores permettant la libération des facteurs pro-apoptotiques.

Bien que le rôle des lipides dans la régulation des protéines Bcl-2 et de la perméabilité mitochondriale ait été étudié, notre compréhension de la contribution des lipides spécifiques à la formation du pore apoptotique reste limitée. Pour approfondir cette question, cette étude a utilisé des nanodisques lipidiques pour explorer la composition lipidique de l’environnement membranaire entourant Bak lors de la formation du pore apoptotique.

Source

Cette étude a été menée par Shashank Dadsena, Rodrigo Cuevas Arenas, Gonçalo Vieira, Susanne Brodesser, Manuel N. Melo et Ana J. García-Sáez, provenant du CECAD de l’Université de Cologne, du Centre de Biochimie Structurale Bijvoet de l’Université d’Utrecht, de l’Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier au Portugal, et de l’Institut Max Planck de Biophysique. L’article a été publié dans Nature Communications en 2024.

Procédures expérimentales

1. Extraction et purification des nanodisques contenant Bak: Les chercheurs ont utilisé des copolymères SMA pour extraire Bak et son environnement membranaire sous forme de nanodisques. Les nanodisques contenant la protéine Bak fusionnée à la GFP ont été purifiés par affinité, et leur taille et homogénéité ont été caractérisées par diffusion dynamique de la lumière (DLS) et microscopie électronique à transmission après coloration négative.

2. Analyse lipidomique: La composition lipidique des nanodisques a été analysée par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS), en se concentrant sur les lipides mitochondriaux majeurs tels que les phosphatidylcholines (PC) et phosphatidyléthanolamines (PE). Les résultats ont montré un enrichissement en lipides insaturés dans les nanodisques contenant Bak dans des conditions apoptotiques.

3. Effet sur la perméabilité membranaire: L’impact des lipides insaturés sur l’activité de perméabilisation de Bax a été étudié dans des systèmes membranaires modèles, des vésicules unilamellaires géantes (GUVs) et des cellules. Dans tous les systèmes, les lipides insaturés ont favorisé de manière significative l’activité de formation de pores de Bax. De plus, des simulations de dynamique moléculaire gros grains (CG-MD) ont corroboré ces résultats, montrant que l’enrichissement en lipides insaturés au niveau du pore facilite son ouverture.

4. Rôle de l’enzyme FADS2: L’étude a révélé que l’absence de FADS2 (une désaturase d’acides gras clé) diminuait la sensibilité des cellules à l’apoptose et réduisait l’activation de la voie cGAS/STING. De plus, les niveaux de FADS2 étaient corrélés à la sensibilité à l’apoptose induite par les acides gras insaturés dans différentes lignées cellulaires de cancer du poumon et du rein.

Résultats principaux

1. Analyse de la composition lipidique: L’analyse LC-MS/MS a révélé une augmentation significative des espèces lipidiques insaturées des phospholipides majeurs (PC et PE) dans les nanodisques contenant Bak dans des conditions apoptotiques, tandis que les espèces saturées diminuaient. D’autres phospholipides comme la phosphatidylinositol (PI), la phosphatidylsérine (PS) et l’acide phosphatidique (PA) n’ont pas montré de changements significatifs.

2. Promotion de la perméabilité membranaire: Les données des systèmes modèles, des GUVs et des cellules ont montré que les lipides insaturés favorisaient de manière significative l’activité de formation de pores de Bax, avec une activité accrue proportionnelle au niveau d’insaturation. Les simulations CG-MD ont confirmé ces observations, montrant une diminution significative de l’énergie requise pour la formation des pores avec des PC insaturées par rapport aux PC saturées, facilitant ainsi la formation de pores.

3. Rôle de FADS2 dans l’apoptose: La sensibilité à l’apoptose était corrélée aux niveaux de FADS2, et la déficience en FADS2 entraînait une diminution des acides gras insaturés membranaires, réduisant ainsi l’activité de formation de pores de Bax/Bak dans le MOMP et affectant la voie en aval cGAS/STING. L’ajout d’acides gras insaturés restaurait ce défaut, indiquant que FADS2 est un régulateur clé de la sensibilité à l’apoptose.

Conclusion et importance

Cette étude montre que les lipides insaturés s’accumulent de manière significative dans la membrane externe mitochondriale pendant l’apoptose, et que ce changement de l’environnement lipidique favorise directement l’activité de perméabilisation de Bax et Bak, facilitant ainsi la formation du pore apoptotique. Ces résultats approfondissent notre compréhension du processus de MOMP, révélant le rôle clé de l’environnement lipidique dans la formation du pore apoptotique, et ouvrent de nouvelles perspectives pour les thérapies anticancéreuses en modulant l’environnement lipidique cellulaire pour augmenter l’efficacité des agents inducteurs d’apoptose.

Cette étude souligne l’importance des lipides dans la régulation de l’apoptose et fournit une base théorique pour le développement de stratégies anticancéreuses basées sur la modulation des lipides. Des recherches futures pourraient explorer plus avant les interactions entre l’environnement lipidique et d’autres protéines régulatrices de l’apoptose, ainsi que leurs rôles multiples dans la survie et la mort cellulaire.