Cell death control by MAPK1/3 (ERK2/1) pathway

Contrôle de la mort cellulaire par la voie des MAPK1/3 (ERK2/1)

Sébastien Cagnol (1)

1 IBDC - Institut de signalisation, biologie du développement et cancer - Institute of Developmental Biology and Cancer

Programmed cell death or"apoptosis"is an evolutionary conserved feature of multicellular organisms necessary for normal development and tissue homeostasis. In living cells, the activity of the proteases that execute the apoptotic cell death program, the caspases, is controlled by survival signals emanating from the cellular environment. The regulatory components of the caspase cascade, caspase 9 and caspase 8, are activated respectively by the apoptosome and by death receptors. Survival signals elicited by extracellular matrix or growth factors activate signaling pathways that control the cell death machinery. The MAPK1/3 signaling pathway is a kinase cascade comprising Raf, MEK1/2 and MAPK1/3 (ERK1/2 or p42/p44 MapKinases) regulated by the proto-oncogene Ras. The MAPK1/3 pathway is implicated in cell proliferation and differentiation and plays an essential role in cell survival. This thesis objective was to characterize the molecular mechanisms involved in the control of cell death by MAPK1/3 pathway. This study relies on the use of an inducible form of Raf-1 kinase (DeltaRaf-1:ER) those strong and persistent activation leads to a pathological induction of MAPK1/3 activity. We have been able to show that, depending on the cell type, Raf-1:ER activation favors cell survival or induces cell death. In the lung fibroblastic cell line CCL39, Raf-1:ER activation prevents cell death induced by serum withdrawal from the tissue culture medium. Under this experimental setting, we could show that Raf-1:ER stimulation inhibits caspase 9 activation but did not prevent cytochrome c release, APAF1 oligomerization and caspase 9 recruitment in the apoptosome. This novel mechanism of cell death inhibition at a post-mitochondrial level requires ongoing protein synthesis and continuous MEK kinase activity. In HEK293, an embryonic kidney cell line that bares properties of neuronal lineage cells, sustained activation of the MAPK1/3 pathway in response to Raf-1:ER induces massive cell death. Cell death is characterized by caspases activation and DNA fragmentation. It is a slow process, detectable more than 24 hours after Raf-1:ER stimulation and maximal at 48 hours. Cell death induction needs protein synthesis only during the early stage of activation but requires a continuous activity of the MEK/MAPK module. Cell death results from caspase 8 activation and does not require the mitochondrial pathway of apoptosis. It is characterized by the formation of vacuoles in the cytoplasm that evoke paraptosis, a particular form of apoptosis. Functional inactivation of the death receptor Fas or its adaptator FADD indicates that the activation process of caspase 8 is independent of the death receptor pathway. Altogether, these results extend our understanding on the role of the Raf/MAPk pathway in the control of cell death. We have shown that in different cellular context, this signaling pathway can either promote cell survival or induce cell death. In both cases, cell death control requires protein synthesis and post-traductionnal modifications. Molecular mechanisms that respond to prolonged MAPK1/3 activation could be involved in tumor resistance to proapoptotic treatments as well as in the development of neurodegenerative diseases.

La mort cellulaire programmée ou apoptose est un mécanisme conservé chez les eucaryotes multicellulaires qui contribue au développement embryonnaire et à l'homéostasie cellulaire des organismes. Dans les cellules vivantes, l'activité des protéases qui exécutent le programme de mort cellulaire, les caspases, est contrôlée par des signaux de survie provenant de l'environnement cellulaire. Les caspases initiatrices de l'apoptose régulée par l'environnement, la caspase 9 et la caspase 8 sont activées respectivement par l'apoptosome et par les récepteurs de mort. Les signaux environnementaux, parmi lesquels le contact avec la matrice extracellulaire ou la présence de facteurs de croissance, activent des voies de signalisation contrôlant la machinerie de mort cellulaire. La voie des MAPK1/3 est une voie de signalisation contrôlée par le proto-oncogènes Ras et comportant les kinases Raf, MEK1/2 et MAPK1/3 (ERK2/1 ou p42/p44). La voie des MAPK1/3, qui est impliquée dans la prolifération et la différentiation cellulaire, joue un rôle essentiel dans la survie cellulaire. L'objectif de cette thèse a été de caractériser les mécanismes moléculaires impliqués dans le contrôle de la mort cellulaire par la voie des MAPK1/3. Ce travail est basé sur l'utilisation d'une forme active et inductible de la kinase Raf-1 (DRaf-1:ER) dont l'activation forte et prolongée correspond à une induction pathologique de la voie des MAPK1/3. Nous avons montré que, selon le type cellulaire, l'activation de deltaRaf-1:ER favorise la survie ou la mort cellulaire. Dans les cellules fibroblastiques CCL39, l'activation de deltaRaf-1:ER protège de la mort cellulaire mitochondriale induite par la privation en sérum du milieu de culture. Dans ces conditions, nous avons montré que la stimulation de Raf-1 :ER bloque l'activation de la caspase-9 mais n'empêche pas la délocalisation du cytochrome c, la multimérisation d'APAF1 ni le recrutement de la procaspase 9 dans l'apoptosome. Ce mécanisme post mitochondrial de protection contre la mort cellulaire dépend de la néo-synthèse des protéines et nécessite une activité continue de la kinase MEK. A l'inverse, dans les cellules HEK 293 issues de rein embryonnaire et présentant des caractéristiques neuronales, nous avons montré que l'activation soutenue de la voie des MAPK1/3 par DRaf1-ER induit une mort cellulaire massive. Celle-ci est caractérisée par l'activation des caspases et la fragmentation de l'ADN. La mort cellulaire est détectée plus de 24 heures après l'activation de Raf1-ER, elle est maximale à 48h. L'induction de la mort cellulaire ne requière la synthèse protéique que durant la phase précoce d'activation mais nécessite l'activité continue du module MEK/MAPK. La mort cellulaire résulte de l'activation de la caspase 8 et n'implique pas la voie mitochondriale, elle est caractérisée par une vacuolisation importante du cytoplasme des cellules qui l'apparente à une forme particulière d'apoptose. L'inactivation des fonctions du récepteur fas et de son adaptateur FADD indique que le processus d'activation de la caspase 8 est indépendant de la voie des récepteurs de mort. L'ensemble de ces travaux apporte des connaissances nouvelles sur le contrôle de la mort cellulaire par la voie Raf/MAPK1/3. Nous avons montré que la voie de signalisation peut, selon le contexte cellulaire, favoriser la survie cellulaire ou induire la mort. Dans les deux cas, le contrôle de la mort cellulaire dépend à la fois de la synthèse protéique et de mécanismes post-traductionnels. Les mécanismes moléculaires affectés par l'activation prolongée des MAPK1/3 seraient impliqués aussi bien dans la résistance des cellules tumorales aux traitements proapoptotiques que dans le développement des maladies neurodégénératives.

Mots clés: Apoptose; Apoptosis; MAPK; ERK; Caspase 9; Caspase 8; apoptosome; FADD; HEK293

Domaines: Biologie cellulaire

Sébastien Cagnol. Contrôle de la mort cellulaire par la voie des MAPK1/3 (ERK2/1). Biologie cellulaire. Université Nice Sophia Antipolis, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00104792⟩