Sur la chaleur et les cellules et les protéines

La sagesse reçue est que les formes de vie supérieures sont régies par la température ambiante, puisque pratiquement tous les processus biochimiques dépendent de la température. Les températures extrêmes de l’air ambiant sur Terre vont de -89,2°C (mesurées le 21 juillet 1983 à Wostock, Antarctique) à +58°C (mesurées le 13 septembre 1922 à Al Azizyah, Libye). Malgré ces températures extrêmes, les espèces homéothermes, comme les humains, ont la capacité de réguler leur température corporelle centrale dans une fourchette étroite allant jusqu’à 37°C grâce à des mécanismes autonomes de régulation de la température. La capacité de maintenir une température interne relativement constante a permis aux animaux homéothermes d’être indépendants de l’influence des fluctuations de la température environnementale. En outre, des adaptations remarquables à la chaleur et au froid sont décrites chez les homéothermes. Alors que l’acclimatation à la chaleur se fait en quelques semaines, par exemple en augmentant simplement le taux de transpiration, l’acclimatation au froid ne se fait qu’après une exposition à un environnement froid pendant des années. La population la mieux étudiée en matière d’acclimatation au froid est celle des plongeurs traditionnels coréens et japonais appelés Ama. Pendant leur travail de plongée dans une eau de mer froide de 10°C, des températures rectales allant de 37°C à 34,8°C ont été observées (7). Lorsque la physiologiste Suki Hong a étudié ces femmes au début des années 1960, leur métabolisme de base pendant les mois d’hiver, lorsqu’elles plongeaient dans une eau très froide, était nettement supérieur aux valeurs observées pendant les mois plus chauds. Pour compenser ce déficit calorique, la consommation de nourriture augmentait d’environ 1 000 kcal par rapport aux non-plongeuses. En outre, le taux de frisson dans l’eau froide a diminué par rapport aux femmes témoins non plongeuses. Cependant, lorsque Hong a répété ses études dans les années 1990, les Ama ne présentaient plus cette capacité métabolique accrue, car (heureusement) elles ne plongeaient plus dans leurs traditionnels maillots de bain en coton, mais étaient équipées de combinaisons humides pour combattre le stress dû au froid.

La température corporelle centrale des animaux à sang froid, dits poikilothermes, dépend de la température ambiante. Chez les animaux poïkilothermes, la température est le facteur environnemental le plus important qui régit la répartition des espèces. Des températures extrêmes sont atteintes chez les animaux aquatiques poïkilothermes. Le poisson antarctique du sous-ordre des téléostéens Nototheniodei est un sténotherme extrême, qui vit dans les eaux froides et thermiquement stables des côtes de l’Antarctique, où les températures varient entre +0,3°C et -1,86°C. En 1998, on a décrit le ver polychète Alvinella pompejana, qui vit en colonie, habitant les températures hydrothermales des eaux profondes supérieures à +80°C et présentant un gradient thermique de 60°C ou plus sur la longueur de son corps.

Bien que les mécanismes systémiques d’adaptation aux changements de température soient bien connus, on en sait beaucoup moins sur l’adaptation au niveau cellulaire ou génétique. La vie, vue sous l’angle cellulaire, montre de fortes variations de température, même dans le corps des homéothermes (Fig. 1). Des températures aussi élevées que +45°C peuvent être mesurées sur la peau lors d’une exposition au soleil, ce qui équivaut à la température du Sahara. Les myocytes sont exposés à des températures allant jusqu’à 40°C dans le muscle de travail. Les températures corporelles centrales les plus basses et les plus élevées, auxquelles on a survécu en cas d’hypothermie ou d’hyperthermie accidentelle, sont respectivement de ~30°C et ~43°C. Dans le système, les températures sont détectées par des récepteurs de froid et de chaleur sur des neurones somatosensoriels spécialisés des mammifères. Ces récepteurs appartiennent à la famille des canaux ioniques à potentiel transitoire, qui convertissent les stimuli de température en potentiels électriques. Au niveau cellulaire, cependant, chaque cellule est capable de réagir à un changement de température par une production accrue ou réduite de protéines. Sonna et al. (15) ont détecté 227 gènes régulés à la hausse et 168 gènes régulés à la baisse (sur les 12 600 étudiés) en utilisant une approche par puce électronique après l’exposition de cellules mononucléaires du sang périphérique à 43°C pendant 20 minutes. Un sous-ensemble de ces protéines, les protéines de choc thermique (HSP), sont spécialisées dans la protection des cellules contre les dommages induits par la chaleur. De façon similaire à la réponse spécifique à la chaleur, chaque cellule est capable de produire davantage de protéines de choc froid (CSP) en réponse à une baisse de température.

En 1962, Ritossa a découvert les HSP dans son travail de pionnier. Après une augmentation de la température dans un incubateur contenant des cultures de drosophiles, il a observé des changements remarquables dans les modèles de bouffées chromosomiques, c’est-à-dire les modèles d’activité génique des chromosomes polyténiques dans les glandes salivaires des larves. Aujourd’hui, il est bien connu qu’en réponse à de nombreux stress, notamment la chaleur, les conditions d’oxydation et l’exposition à des composés toxiques, toutes les cellules produisent un ensemble commun de HSP. Le nom de ces protéines provient toutefois du premier déclencheur (c’est-à-dire la chaleur) qui a été identifié comme augmentant leur synthèse. L’expression accrue des HSP est médiée à plusieurs niveaux : synthèse de l’ARNm, stabilité de l’ARNm et efficacité de la traduction. Des expériences menées sur diverses espèces ont montré qu’une expression accrue de ces protéines peut protéger l’organisme contre les dommages induits par le stress. De plus, des cellules ayant reçu un pré-choc non létal induisant des HSP survivent ensuite à une exposition autrement létale à des températures élevées. Il est frappant de constater que les profils d’expression des HSP présentent des niveaux élevés de conservation entre les différentes espèces. On pense donc que la réponse au choc thermique est pratiquement universelle parmi les organismes. Cependant, dans deux cas de poissons exposés à des environnements froids et thermiquement stables (Hydra oligatis et Trematomus bernacchii), aucune réponse au choc thermique n’a été détectée.

Il existe de nombreux exemples montrant que l’expression des HSP peut varier avec la température environnementale chez l’homme, malgré sa capacité à maintenir une température corporelle centrale constante. Une augmentation de la synthèse des HSP a été observée in vivo pendant l’exercice dans le muscle cardiaque en fonction de la température ambiante affectant les adaptations myocardiques (6). Des changements dans l’expression des HSP72 dans les leucocytes sont associés à l’adaptation à l’exercice dans des conditions de température ambiante élevée. L’importance des HSPs pour l’adaptation systémique environnementale est bien démontrée principalement chez les animaux poïkilothermes. Ces études montrent également que la température à laquelle les gènes HSP sont activés est soumise à une acclimatation thermique en fonction de la saison ou d’autres changements de la température environnementale moyenne. Collectivement, les HSP ont évolué comme des protéines générales inductibles par le stress pour maintenir l’intégrité cellulaire (11). Ce mécanisme de résistance, cependant, n’a pas seulement lieu dans des situations pathophysiologiques mais est également adapté dans la physiologie des mammifères, par exemple dans la résistance osmotique des kératinocytes ou des cellules rénales, où les conditions osmotiques physiologiques (via un changement d’humidité ou une accumulation de chlorure de sodium/urée, respectivement) entraînent une expression accrue des HSP (2).

HSP et chaperons moléculaires

Dans des conditions normales (non stressantes), les chaperons moléculaires aident au repliement et à la compartimentation routinière des protéines nouvellement synthétisées, et ils participent également à une variété d’autres fonctions cellulaires. Lors d’un stress thermique ou autre, les HSP induites par la chaleur se lient aux protéines dénaturées, empêchant ainsi leur agrégation et contribuant à leur repliement dans leur état natif et fonctionnel après le rétablissement de la température ambiante. Les HSP ont été classées dans les cellules eucaryotes en fonction de leur poids moléculaire. À ce jour, six familles de HSP ont été identifiées (HSP100, HSP90, HSP70, HSP60, HSP40 et les petites HSP). Comme l’expression de certains membres des familles HSP augmente en cas de privation de glucose, ces protéines sont appelées protéines régulées par le glucose. Certaines HSP, découvertes pour la première fois indépendamment de leur rôle de protéines de stress (comme l’ubiquitine ou l’αB-cristalline) portent leur nom particulier. Un aperçu des familles de protéines chaperonnes, de leur structure et de leur fonction est donné dans le tableau 1. HSP90 et HSP70 en particulier jouent un rôle important dans le maintien de la fonction cellulaire dans des conditions de non stress et de stress.

Famille HSP90

Les HSP90 sont des protéines hautement conservées, qui représentent 1 à 2% du contenu protéique cellulaire total. HSP90 comprend trois domaines structurels identifiés par digestion protéolytique. Le domaine NH2-terminal de ~25-kDa est relié à une région COOH-terminale de ~55-kDa hautement conservée par un lieur chargé, dont la longueur et la composition sont variables selon les espèces et les isoformes. Deux poches de liaison à l’ATP ont été décrites, l’une située dans le domaine NH2-terminal et l’autre dans la région COOH-terminale. Lors de la liaison de l’ATP ou de la chaleur, la HSP90 passe d’une forme dans laquelle les deux domaines NH2-terminaux sont séparés dans le dimère à une forme dans laquelle ils sont associés, générant une structure dimère toroïdale. On pense que ce changement de conformation est responsable de la liaison du substrat. La HSP90 agit comme une chaperonne moléculaire ATP-dépendante impliquée dans le repliement et l’activation d’un nombre inconnu de protéines substrats, y compris les récepteurs des hormones stéroïdes, les protéines kinases et les facteurs de transcription (14). La formation de complexes entre ces protéines clientes et la HSP90 est une condition préalable à leur stabilité et à leur fonctionnalité. Par conséquent, les chaperons appartenant à la famille HSP90 sont des acteurs clés des événements cellulaires, tels que la réplication de l’ADN, la transcription de l’ARN, le repliement des protéines, la maturation, la translocation à travers le réticulum endoplasmique et les membranes mitochondriales, la protéolyse et la signalisation cellulaire. La HSP90 présente une forte spécificité pour ses protéines clientes. Cependant, la HSP90 seule est incapable de favoriser le repliement et/ou l’activation de l’une de ses protéines substrats connues. Pour une activité complète, l’interaction de la HSP90 avec d’autres HSP et co-chaperones est nécessaire. Dans le cas du récepteur de la progestérone, au moins sept protéines supplémentaires sont impliquées (HSP70, Hip, Hop, immunophilines et p23). Sur la base du modèle du récepteur de la progestérone, le substrat est soumis à un cycle entre un complexe précoce (contenant HSP70 et Hop), un complexe intermédiaire (contenant HSP70, Hop et un dimère de HSP90) et le complexe mature (contenant un dimère de HSP90 et p23) avec la nécessité d’une hydrolyse de l’ATP. L’importance de la HSP90 pour les fonctions cellulaires est démontrée par l’utilisation d’antagonistes spécifiques de la HSP90 comme la geldanamycine (GA) qui occupent la poche de liaison à l’ATP de la HSP90, empêchant ainsi le cycle de l’hétérocomplexe HSP90. Les cellules traitées par GA présentent des déficits dans la croissance cellulaire ainsi que dans la stabilité et l’activation des protéines kinases et des facteurs de transcription (9). La signification de la fonction chaperonne de HSP90 pour la physiologie cellulaire est mieux illustrée par son interaction avec les facteurs de transcription. Puisque HSP90 chaperonne le facteur de transcription responsable de l’expression génique dépendant de l’oxygène, c’est-à-dire le facteur-1α inductible par l’hypoxie, les cellules traitées par AG sont altérées dans la réponse physiologique des cellules à une diminution de la tension d’oxygène.

Famille HSP70

Les protéines 70-kDa liées aux chocs thermiques comprennent une famille de chaperons moléculaires hautement conservés qui régulent le repliement des protéines dans des conditions normales et de stress (3). HSP70, comme HSP90, est l’une des plus abondantes de ces protéines, représentant jusqu’à 1 à 2 % des protéines cellulaires totales. Les protéines HSP70 favorisent le repliement des chaînes naissantes sur les ribosomes, la translocation des protéines à travers les membranes et la protection à haute température par interaction avec les surfaces hydrophobes exposées des protéines dépliées ou partiellement repliées. Les protéines HSP70 contiennent deux domaines, un domaine ATPase NH2-terminal et un domaine de liaison peptidique COOH-terminal. Le domaine de liaison au peptide HSP70 lie un peptide de sept résidus dans une conformation étendue entre un sous-domaine β-feuilleté et un sous-domaine α-hélice. On pense que la liaison de l’ATP au domaine ATPase déclenche la libération du substrat en faisant plier le domaine α vers le haut au niveau d’une jonction flexible près du milieu de la longue hélice qui s’étend sur le peptide. Il a été démontré que les co-chaperones de la HSP70, comme Hip, Hop, HSP40 et Bag-1, jouent un rôle important dans la modulation de l’activité de la HSP70 ainsi que dans la spécificité du substrat de la protéine. Hip est une protéine cytosolique de 50 kDa qui interagit avec le domaine ATPase des membres de la famille HSP70 et améliore l’interaction avec le substrat. Hop est une co-chaperone unique qui a la capacité d’interagir avec les chaperons HSP70 et HSP90 dans différents systèmes. En l’absence de HSP40 et d’ATP, HSP70 se lie préférentiellement aux peptides et aux protéines dénaturées. Cependant, en présence de HSP40, HSP70 présente une plus grande spécificité de substrat. Bag-1 a été initialement découverte comme une protéine associée à Bcl-2. Outre son interaction avec les membres antiapoptotiques de la famille des protéines Bcl-2, Bag-1 interagit aussi spécifiquement avec HSP70. Dans des conditions de stress, on constate une formation accrue de complexes Bag-1-HSP70. La génération d’une disruption génique ciblée du gène HSP70.1 ou du gène HSP70.3 souligne l’importance de la HSP70 dans le maintien de la thermotolérance acquise et la diminution de la sensibilité à l’apoptose induite par la chaleur (8).

Les HSP : le thermomètre cellulaire

L’expression inductible des HSP est régulée par les facteurs de transcription du choc thermique (HSF) (13). Chez les vertébrés, quatre HSFs différents ont été identifiés jusqu’à présent. L’existence de plusieurs HSF suggère des différences fonctionnelles entre les HSF. Contrairement à HSF1 et HSF3, HSF2 n’est pas activé en réponse aux stimuli de stress classiques. En revanche, HSF1 présente les caractéristiques typiques de l’induction du stress, de la liaison à l’ADN, de l’oligomérisation et de la localisation nucléaire en réponse à des facteurs de stress environnementaux tels que des températures élevées et l’exposition au sulfate de cadmium et à des analogues d’acides aminés. Au cours de l’expression génétique, la transactivation des gènes de choc thermique est médiée par l’interaction entre HSF1 et l’élément de choc thermique présent dans le promoteur de tous les gènes HSP. À des températures non stressantes, HSF1 est présent dans le cytosol sous la forme d’une protéine monomère inactive qui est liée à HSP70 et HSP90 (Fig. 2). Après un choc thermique, HSP70 et HSP90 sont recrutées pour lier les protéines dénaturées et sont donc libérées de la HSF1. La HSF1 non liée se localise dans le noyau, se trimérise et acquiert une capacité de liaison à l’ADN. HSF1 est phosphorylé au niveau des résidus sérine, ce qui entraîne la transactivation des gènes HSP, notamment HSP70 et HSP90. Par la suite, l’activité de HSF1 est régulée négativement par une liaison accrue des HSP70 et HSP90 nouvellement synthétisées à HSF1. Le processus central de la détection de la température cellulaire est donc l’équilibre entre la liaison des HSP libres à HSF1 ou aux protéines dénaturées par le stress.

Mort cellulaire : apoptose et nécrose

L’exposition des cellules à la chaleur peut entraîner une apoptose ou une nécrose selon la température appliquée. Le plus intéressant est que la température seuil d’induction de l’apoptose au niveau cellulaire est équivalente à la température centrale systémique seuil supérieur tolérable sans danger chez l’homme. Pour l’induction de la nécrose, des températures plus élevées que celles induisant l’apoptose doivent être appliquées in vitro (10). Il a été démontré que l’expression de petites HSP ou de la HSP70 inductible améliore la survie des cellules de mammifères exposées à de nombreux types de stimuli, comme la chaleur ou d’autres formes de stimuli de stress apoptotique (1). Si l’on peut supposer que la fonction antinécrotique est liée à la fonction de chaperon, en particulier de la HSP70 et de la HSP27, le mécanisme exact de la fonction antiapoptotique des deux HSP n’est pas entièrement clair. Il semble y avoir de multiples possibilités pour que la HSP70 interagisse avec les voies apoptotiques. La HSP70 interagirait avec Apaf-1, empêchant ainsi son interaction avec la procaspase-9 et finalement l’apoptose dépendante des caspases. Récemment, il a été démontré que HSP70 participe également aux événements apoptotiques indépendants de la caspase via une interaction spécifique avec le facteur inducteur d’apoptose, qui est libéré par les mitochondries au début du processus apoptotique.

La réponse au choc froid

Le stress froid modifie la composition lipidique des membranes cellulaires et supprime le taux de synthèse des protéines et la prolifération cellulaire. Cependant, un ensemble de protéines appelé CSP est exprimé à des niveaux plus élevés à partir d’une température de 32°C. L’hypothermie induit l’expression de protéines de liaison à l’ARN comme la cold-inducible RNA-binding protein (CIRP), la première CSP identifiée dans les cellules de mammifères, et la RNA-binding motif protein 3 (4, 12). Comme la HSP, la CIRP est également exprimée à 37°C et régulée par le développement, et joue probablement le rôle de chaperon d’ARN. La biologie cellulaire et moléculaire des cellules de mammifères à 32°C est un nouveau domaine qui devrait avoir des implications considérables pour la physiologie, par exemple dans les testicules et la peau, où les températures cellulaires sont typiquement de 30-34°C et ~33°C, respectivement.

Les HSP sont le lien entre la température environnementale et la fonction cellulaire

Les HSP et les CSP sont, d’un point de vue évolutif, la réponse la plus conservée aux changements de température. Bien que les protéines aient été découvertes il y a longtemps et que les fonctions moléculaires de ces protéines soient de mieux en mieux comprises, le lien entre les effets médiés par la température/HSP/CSP et les fonctions cellulaires est moins exploré. L’exposition des cellules à des températures élevées affecte non seulement l’expression et l’activité des HSP mais aussi l’interaction des HSP avec des protéines partenaires. Par exemple, l’augmentation de l’expression et de l’activité des HSP90 par des températures élevées in vitro ou in vivo affecte la stabilité et l’activité de facteurs de transcription comme le récepteur des glucocorticoïdes ou le facteur inductible par l’hypoxie-1α. La température ambiante affecte ainsi l’expression des gènes dans un premier temps via une activation directe des gènes thermo-inductibles, puis indirectement via une modification de l’expression et de l’activité des HSP.

Perspectives futures

Des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer l’influence des changements de température dans le corps homéothermique sur la fonction cellulaire et l’expression des gènes, car dans la plupart des études in vitro, on simule simplement la température centrale du corps de 37°C. Cette température ne représente toutefois que le cœur de notre corps et néglige les changements de température dynamiques dans d’autres parties dans des conditions physiologiques et physiopathologiques. L’importance d’une régulation précise de la température chez les homéothermes est parfaitement illustrée par le testicule. Même de légères élévations de la température du scrotum (qui est normalement de 30-34°C) sont associées à l’infertilité. Ce phénomène est en partie attribué à une expression plus élevée des protéines HSP90 et à la mort cellulaire médiée par la protéine p53, ainsi qu’à une diminution de l’expression de la CSP. C’est probablement l’un des exemples les plus dramatiques de la nécessité d’une adaptation à la température pour « fertiliser » notre planète.