Détecteurs et effecteurs du stress oxydant : rôles dans le métabolisme et la signalisation. Le dialogue des organelles : la part des peroxysomes

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Le troisième cours (13 mars 2014) a porté sur la place du peroxysome dans la signalisation redox, la biologie de cette organelle, et son dialogue avec les autres organelles ou compartiments cellulaires.

En 1966, Christian De Duve découvre le peroxysome, qu’il isole à partir du foie de rat, et il procède à sa caractérisation biochimique (De Duve & Baudhuin, 1966). Entouré d’une simple membrane, il est empli d’une matrice granulaire et abrite un corps cristallin dense aux électrons. L’article qui rapporte cette découverte comporte la démonstration de la présence dans cette organelle d’oxydases qui produisent H₂O₂, et d’une peroxydase, la catalase, qui dégrade H₂O₂, d’où l’appellation fonctionnelle qui lui est donnée. Huit ans plus tard, en 1974, Christian De Duve reçoit le prix Nobel pour cette découverte.

Les peroxysomes, organelles dépourvus d’acide nucléique, sont mis en évidence par la réaction peroxydasique de la catalase qui, en oxydant le 3,3’-diaminobenzidine, forme un précipité dense aux électrons. Ils ont une taille, une forme, et un contenu enzymatique qui varient considérablement d’un tissu à l’autre. Leur diamètre va de 0,1 à 0,5 micromètre dans les adipocytes, où ils sont principalement localisés à proximité des vésicules lipidiques. Le peroxysome est donc une organelle plastique.

Les peroxysomes sont présents dans toutes les cellules des eucaryotes (plantes, champignons, et animaux). La génétique humaine, en associant des maladies aux atteintes du peroxysome, a révélé l’importance de cette organelle dans la vie cellulaire. L’analyse génétique menée chez la levure et des champignons multicellulaires a permis de déchiffrer les mécanismes impliqués dans la formation du peroxysome et sa dégradation. Les peroxysomes sont impliqués dans le métabolisme lipidique, par l’oxydation des acides gras qu’ils effectuent, et dans le métabolisme oxydatif. Ils ont quelques caractéristiques qui paraissent spécifiques : ils peuvent importer dans leur matrice des protéines totalement repliées, et même des protéines oligomérisées, mais sont incapables de replier les protéines ; ils peuvent se former de novo. L’origine du peroxysome reste débattue : endosymbiotique pour certains (comme le sont les mitochondries ou les chloroplastes, et comme l’avait proposé Christian de Duve (De Duve, 1969), ou mitochondriale pour d’autres. Deux types de données sont à verser à ce débat : d’une part, comme sus-mentionné, l’existence d’une voie de synthèse de novo des peroxysomes, et d’autre part, le fait que peroxysome et mitochondrie partagent certaines fonctions (production et dégradation d’H₂O₂, oxydation des acides gras à longue chaîne, rôle de plateforme de signalisation dans l’immunité innée…) et composés essentiels à leur biogénèse (facteurs de transcription de la famille des peroxysome proliferation-activated receptors [PPAR], composés des machineries de fission de leurs précurseurs respectifs).

Les peroxysomes sont impliqués dans le métabolisme des lipides, leur synthèse et leur dégradation. Ils dégradent les acides gras à très longue chaîne (VLCFA) par la ß-oxydation, et les acides gras branchés (BCFA) par l’α-oxydation. Depuis 1996, on sait qu’ils sont impliqués dans la synthèse des lipides. À partir du cholestérol, ils synthétisent des phospholipides éthers qui entrent dans la composition de la myéline et des acides biliaires. Les VLCFA pénètrent dans le peroxysome grâce à un transporteur de type ABC, les BCFA et les intermédiaires de synthèse de la myéline et des acides biliaires grâce à la protéine PMP70.

On a longtemps attribué la ß-oxydation des acides gras à longue chaîne exclusivement à la mitochondrie. Les études menées chez des patients atteints du syndrome de Zellweger ont montré qu’à la biogenèse profondément altérée des peroxysomes (ne persistent que leur membrane) était associé un taux sanguin très élevé d’acides gras à longue chaîne et d’acides gras branchés (Schrader & Yoon, 2007). Le peroxysome prend en charge les VLCFA, et la mitochondrie les acides gras dont la longueur de la chaîne est moindre. Mitochondries et peroxysomes coopèrent donc dans la dégradation des acides gras à longue chaîne. En termes énergétiques, le comportement des deux organelles est très différent. La mitochondrie tire parti de l’énergie libérée par la dégradation des acides gras pour synthétiser l’ATP par couplage à la phosphorylation oxydative, tandis que le peroxysome dissipe cette énergie sous forme de chaleur.

Les facteurs de transcription de type PPAR (Lodhi & Semenkovich, 2014) sont des récepteurs nucléaires ; ils forment des hétérodimères avec le récepteur de l’acide rétinoïque. Les gènes dont ils contrôlent l’expression sont impliqués dans la formation des adipocytes, le métabolisme des lipides, l’homéostasie des glucides, et la formation même des peroxysomes ; ils contrôlent en particulier l’expression des gènes PEX, qui codent pour les peroxynes, protéines essentielles à la biogénèse du peroxysome. Les séquences promotrices qui lient les facteurs PPAR ont été définies.

L’oxygène moléculaire est consommé dans trois compartiments cellulaires : la mitochondrie, le peroxysome, et le réticulum endoplasmique. Les oxydases des peroxysomes des mammifères conduisent toutes à la formation de H₂O₂ en transférant l’hydrogène de leurs substrats moléculaires respectifs à l’oxygène moléculaire ; la xanthine oxydase conduit de surcroît à la synthèse d’O₂^– (Schrader & Fahimi, 2006). La consommation d’O₂ par le peroxysome est considérable. Elle est estimée à 20 % de la consommation cellulaire d’O₂. Quant à la production d’H₂O₂ par le peroxysome, elle représenterait environ 35 % de la production cellulaire totale. Certains évoquent même la possibilité que le peroxysome constitue la source majeure d’H₂O₂ et des ROS dans les cellules. Parmi les enzymes du peroxysome, celles qui conduisent à la plus importante production de H₂O₂ sont, semble-t-il, celles qui sont impliquées dans la ß-oxydation des acides gras. Parmi les oxydases découvertes par Christian de Duve figurent des oxydases d’acides aminés « D » ; l’atteinte de la D-aminoacide oxydase du peroxysome a récemment été rapportée comme étant responsable d’une forme de sclérose latérale amyotrophique ; le modèle murin créé par inactivation du gène correspondant présente, comme les patients, une dégénérescence des motoneurones ; une accumulation de D-sérine dans la moelle épinière a été mise en évidence (Sasabe et al., 2012). Or le récepteur NMDA du glutamate, principal neurotransmetteur des neurones pyramidaux, a pour co-agoniste la D-sérine, dont l’augmentation de la concentration conduirait donc à une hyperexcitabilité des motoneurones, ce qui provoquerait leur dégénérescence.

La dégradation de H₂O₂ dans le peroxysome repose, outre la catalase, sur des Prx (Prx1 et Prx5) dépendantes des Trx, une GPx, et une thiol peroxydase (PMP20). Lorsque la concentration d’O₂ s’élève, la taille des peroxysomes et leur concentration en enzymes qui abaissent la concentration d’H₂O₂ augmentent. Ainsi, lorsque des cellules de la lignée CHO sont incubées en présence d’une forte concentration d’O₂, le volume des peroxysomes double, la concentration de la catalase, de la GPx et des SOD, est multipliée par un facteur deux à quatre. Une voie de formation du peroxysome, qui passe par l’élongation d’un peroxysome préexistant, est dépendante du statut redox de la cellule (Smith & Aitchison, 2013).

La réponse des peroxysomes aux ROS est moins bien comprise. La régulation transcriptionnelle des gènes qui codent pour les enzymes antioxydantes associées au peroxysome est, elle aussi, mal connue. Elle ferait intervenir, selon les gènes, le facteur de transcription PPAR-α ou le facteur FOXO3a (Forkhead box class O).

En revanche, l’adressage des protéines au peroxysome est très étudié. Il faut distinguer celui des protéines matricielles et celui des protéines membranaires (Nagotu et al., 2012 ; Lodhi & Semenkovich, 2014). Pour les premières interviennent des peroxynes. Les protéines matricielles sont reconnues par l’étiquette qu’elles portent, en anglais, peroxysome targeting sequence ou PTS : la séquence PTS1 est un tripeptide situé à leur extrémité C-terminale, tandis que la séquence PTS2 est située dans leur région N-terminale. La peroxyne 5 reconnaît PTS1, et la peroxyne 7, PTS2 ; elles prennent en charge les protéines correspondantes (Smith & Aitchison, 2013). Dans cette machinerie d’importation des protéines matricielles interviennent aussi d’autres peroxynes, parmi lesquelles la peroxyne 14, qui joue un rôle majeur. Arrimée à la peroxyne 5 (ou 7), la protéine matricielle pénètre à l’intérieur du peroxysome par un pore composé d’autres peroxynes. La peroxyne 5 libère son cargo à l’intérieur de la matrice, puis retourne dans le cytoplasme où, soit elle subit une ubiquitination et est dégradée dans le protéasome, soit elle entre dans un nouveau cycle d’importation. Aujourd’hui, on connaît plus de trente peroxynes. L’activité de la peroxyne 5 est dépendante du statut redox (voir ci-dessous).

Le modèle qui a longtemps prévalu pour la synthèse des protéines de la membrane du peroxysome stipulait que, synthétisées sur des ribosomes libres, elles étaient ensuite adressées au peroxysome (Dimitrov et al., 2013). On a ensuite découvert que certaines de ces protéines transitaient par le réticulum endoplasmique, une voie dont certains se demandent d’ailleurs aujourd’hui si elle ne serait pas la seule possible. En faveur de l’existence d’une double voie, certaines protéines de la membrane du peroxysome portent une étiquette, qui n’est pas totalement définie, mais dont on sait qu’elle est reconnue par la peroxyne 19, qui adresse ces protéines au peroxysome (Lodhi & Semenkovich, 2014).

Le rôle physiologique des ROS et leur production peroxysomale anormalement élevée dans un contexte pathologique ont été illustrés par la discussion d’un article concernant le rôle de la mélanocortine dans la prise alimentaire (Diano et al., 2011). Parmi les neurones du noyau arqué de l’hypothalamus, ceux qui synthétisent la pro-opiomélanocortine (POMC) et ceux qui synthétisent le neuropeptide NPY sont impliqués dans le comportement alimentaire. La stimulation des premiers induit une sensation de satiété conduisant à une diminution de la prise de nourriture, tandis que celle des seconds est orexigène (elle provoque une prise alimentaire). L’activité de ces deux types de neurones est dépendante des ROS (observations s’appuyant sur l’injection d’un composé (honokiol) qui piège les ROS dans les ventricules cérébraux). La baisse des ROS diminue l’activité des neurones POMC et stimule celle des neurones NPY. Ces modifications d’activité concourent à une augmentation de la prise de nourriture. L’hyperproduction locale de ROS par injection intra-ventriculaire d’H₂O₂ augmente l’activité des neurones POMC, et la prise de nourriture diminue. Les ROS ont ensuite été étudiés chez les souris DIO (diet-induced obesity), qui présentent une obésité due à une résistance à la leptine. Alors qu’en règle générale le taux des ROS et celui de la leptine varient parallèlement, chez les souris DIO, le taux de leptine est très élevé, mais celui des ROS dans les neurones POMC ne subit pas l’élévation attendue. La possibilité d’une faillite de l’induction des ROS chez les souris DIO a été examinée. Mitochondries et peroxysomes ont été étudiés. La comparaison de souris sauvages et de souris DIO, toutes deux suralimentées, ne montre pas, chez ces dernières, d’anomalie du nombre des mitochondries, tandis que le nombre des peroxysomes dans les neurones POMC est multiplié par trois. Cette prolifération des peroxysomes a pu être rapportée à l’augmentation des transcrits codant pour PPAR-γ. L’effet de PPAR-γ a été validé par l’utilisation d’un antagoniste de ce facteur de transcription, GW9662. Sous l’effet de cet antagoniste injecté dans les ventricules cérébraux, la prolifération des peroxysomes décroît, les ROS augmentent, et la prise alimentaire diminue. Si l’on injecte H₂O₂ en intra-ventriculaire chez ces souris, on observe aussi une augmentation des ROS et une diminution de la prise de nourriture. L’activité électrique des neurones POMC des souris DIO augmente sous l’effet de la baisse de PPAR-γ. L’ensemble des résultats est interprété de la façon suivante : les souris DIO présentent une élévation de PPAR-γ qui conduit à une prolifération des peroxysomes, entraînant une baisse des ROS qui, en réduisant l’activité des neurones POMC, conduit à l’accroissement de la prise alimentaire.

Enfin les ROS sont classiquement considérées comme des agents du vieillissement. Les preuves expérimentales venant à l’appui d’un rôle direct des ROS restent ténues. Pour certains, la faiblesse des arguments expérimentaux s’expliquerait par la complexité du système et la variété de ses substances tampons. Deux travaux qui tirent parti de la modulation de l’expression d’une catalase, l’un réalisé chez le nématode C. elegans, et l’autre chez la souris, apportent cependant des résultats qui plaident en faveur d’un rôle des ROS dans le vieillissement. Le nématode C. elegans possède trois catalases (Petriv & Rachubinski, 2004). La catalase 2, qui est exprimée dans le peroxysome, joue un rôle très important dans la réduction de H₂O₂en H₂O. Chez un animal mutant, pour lequel l’expression de cette catalase est affectée, la durée de vie passe de 17 à environ 13 jours. Une diminution du nombre des œufs pondus, observée aussi lors du vieillissement normal, est décelée. Leurs peroxysomes sont nombreux, mais regroupés en agrégats, ce qui indique que leur fonctionnement est sans doute altéré. L’autre étude consiste en une surproduction de la catalase dans différents compartiments cellulaires : noyau, peroxysome, et mitochondrie (Schriner et al., 2005). La surproduction de catalase dans le peroxysome ou le noyau est sans effet sur la longévité. En revanche, lorsque cette surproduction concerne la mitochondrie, un accroissement modeste mais significatif de la longévité est observé, qui s’accompagne d’un effet protecteur à l’égard des effets délétères d’H₂O₂.