Acides gras, acides aminés et peptides: Prévention des maladies humaines 9782842542252

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Science et Biomédecine

Acides gras, acides aminés et peptides Prévention des maladies humaines

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Science et Biomédecine

Acides gras, acides aminés et peptides Prévention des maladies humaines Haim Tapiero

Collection Science et Biomédecine dirigée par Haim Tapiero Déjà paru dans la même collection Les oligo-éléments - Prévention des maladies humaines

Éditions E.D.K. 10, villa d’Orléans 75014 PARIS Tél. : 01 53 91 06 06 Fax : 01 53 91 06 07 [email protected] www.edk.fr © Éditions EDK, Paris, 2006

ISBN : 2-84254-108-1 Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage – loi du 11 mars 1957 – sans autorisation de l’éditeur ou du Centre Français du copyright, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.

Préface Une médecine de prévention est-elle possible ?

Si les auteurs des chapitres de cette monographie m’ont prié de noter dans le présent éditorial les réflexions que m’a suscité leur lecture, c’est parce que j’ai moi-même mené à l’échelle humaine deux expériences de prévention : - l’une a concerné des fumeurs qui se sont soumis à un examen histologique d’un prélèvement bronchique puis, en cas de positivité, à un traitement par un rétinoïde ; ils nous ont permis d’observer que celui-ci pouvait normaliser l’état des bronches, lequel ne persistait que si les sujets cessaient de fumer ; - l’autre a concerné des jeunes femmes présentant une anomalie du col utérin secondaire à une infection chronique au papovavirus 16. Un traitement par un agoniste de la LH-RH a accéléré et complété l’effet de l’antiviral. Dans ces deux cas, la prévention a porté sur des états pathologiques, ou prépathologiques et elle ne visait qu’à éviter une seule maladie : le cancer des bronches, d’une part, le cancer du col de l’utérus, d’autre part. Or, dans les cas décrits par les auteurs, si le nombre d’éléments concernés apparaît faible puisque leur travail est limité à trois familles d’acides aminés, les effets qu’ils énumèrent comme possiblement bénéfiques de la régulation de leurs métabolismes, sont très variables et multiples ; c’est dire que les auteurs posent un nouveau problème de la définition de la médecine préventive telle qu’elle n’est pas appliquée, et dont on se demande si elle le sera un jour.

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Acides gras, acides aminés et peptides

Il est évident qu’une telle prévention devra être scientifique, et ne pas relever de la boutique de parapharmacie. Elle devra se fonder sur une information abondante et rapide, et sur une permanente intégration des données de celle-ci. Deux mesures préventives, comme deux thérapeutiques, peuvent se potentialiser ou s’inhiber mutuellement. Il est évident qu’une telle prévention, à visée forcément globale, ne pourra être assumée par les généralistes et qu’elle ne pourra relever que de spécialistes, à moins que des ordinateurs et des laboratoires de biologie puissent s’en charger. Reste que son coût risquant d’être exorbitant, elle ne pourra être financée ni par l’actuelle Sécurité Sociale ni par l’État ; elle ne pourra l’être que par les individus qui s’y soumettront, en espérant en bénéficier soit financièrement, soit en durée de vie. On peut imaginer que le choix entre une médecine curative et une médecine préventive soit donné aux citoyens et que ceux-ci choisissent cette dernière pour des raisons d’opinion personnelle. Reste à savoir ce que seuls des essais thérapeutiques pourront enseigner, si elle pourra allonger significativement, voire considérablement, la survie, ce dont le coût peut être évalué dès maintenant par les organismes d’assurances ou de retraites. Au total, ces chapitres m’ont convaincu que la médecine était loin d’être parvenue à son optimum. Tel est leur apport principal et méritoire. Georges Mathé

Sommaire

Préface Une médecine de prévention est-elle possible ? Georges Mathé ................................................................................

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Avant-propos Haim Tapiero...................................................................................

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L-Arginine Haim Tapiero, Danyelle M. Townsend, Kenneth D. Tew.................

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Glutamine et glutamate Haim Tapiero, Danyelle M. Townsend, Kenneth D. Tew.................

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Acides aminés soufrés Danyelle M. Townsend, Kenneth D. Tew, Haim Tapiero.................

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Importance du glutathion dans les maladies humaines Danyelle M. Townsend, Kenneth D. Tew, Haim Tapiero.................

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Les acides gras poly-insaturés (AGPI) et les eicosanoïdes Haim Tapiero, Danyelle M. Townsend, Kenneth D. Tew.................

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Acides gras, acides aminés et peptides

Remerciements Les auteurs remercient Marie-Claude Feuillet, Mireille Tapiero et Jean-Marie Mutschler-Clor pour leur aide dans la réalisation de cette monographie.

Avant-propos

Les acides aminés et les acides gras poly-insaturés (AGPI) sont non seulement nécessaires à la croissance et au développement de l’organisme, mais jouent également un rôle important dans la prévention d’un grand nombre de maladies. En ce qui concerne les acides aminés, hormis la lysine, la thréonine et le tryptophane, considérés d’un point de vue métabolique comme « indispensables » ou « essentiels », les autres acides aminés ont un rôle fonctionnel mais sont considérés comme « non-essentiels » ou « conditionnellement essentiels » à l’organisme. L’arginine, par exemple, joue un rôle dans la production du monoxyde d’azote qui intervient dans le contrôle de la tension artérielle, la phénylalanine intervient dans le système adrénergique neurotransmetteur et la méthionine, donneur de méthyle, dans la synthèse de la créatine et de la taurine, et dans la protection contre les radicaux libres, dont les peroxydes. Dans plusieurs affections, ou lorsque les individus sont exposés aux traumas, septicité ou stress, la concentration de certains acides aminés du plasma est parfois insuffisante pour couvrir les besoins des malades. Les concentrations de méthionine, thréonine, histidine, isoleucine, leucine et tryptophane sont, par exemple, significativement plus faibles chez les individus qui souffrent de VIH/Sida que chez les sujets sains. Chez les grands brûlés, les besoins de l’organisme en proline sont plus importants que sa biosynthèse, qui ne s’effectue, comme l’arginine, que dans certains tissus seulement. Le tube digestif de l’homme est colonisé par plus de 400 espèces de bactéries, qui utilisent, pour leur croissance, de l’ammoniaque comme source d’azote. Le glutamate, formé à partir de l’ammoniaque, fournira de l’azote à la synthèse de la plupart des autres acides aminés. Ainsi, les protéines du plasma et des urines proviennent pour la plupart de sources microbiennes intestinales. Dans des conditions physiologiques, les bactéries adhèrent au mucus, mais pas aux cellules épithéliales de la paroi intestinale. L’adhérence à la paroi intestinale n’intervient que lors d’une invasion par les bactéries pathogènes. Parmi les autres composés organiques qui interviennent dans la croissance cellulaire et dans la prévention des maladies humaines, les acides gras

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Acides gras, acides aminés et peptides

essentiels, insaturés ou poly-insaturés (AGPI), distribués surtout chez les plantes et les poissons, jouent également un rôle important. Ils sont représentés par deux grandes familles qui s’opposent par leur action, les acides gras polyinsaturés n-6 (AGPI-n6) dont l’acide arachidonique (AA) et les acides gras poly-insaturés n-3 ou ω-3 (AGPI-n3) dont le pentaène (acide eicosapentaénoïque, AEP) et l’hexaène, (acide docosahexaénoïque, ADH). L’acide linoléique, issu de l’alimentation végétale, est désaturé chez l’animal pour former l’acide γ-linoléique, précurseur de l’acide arachidonique dans les tissus, alors que l’acide α-linolénique, issu également de l’alimentation, est précurseur de l’AEP et de l’ADH. Le contenu lipidique d’un régime alimentaire se reflète dans la structure de base de la cellule, en particulier dans la composition des phospholipides de la membrane plasmique. Alors que le commerce moderne de l’agro-alimentaire pourvoit des fourrages surtout riches en acides gras n-6 issus de l’acide linoléique (18 :2n-6) qui ne contiennent, de même que les herbages, que peu ou pas d’AGPI, certains poissons et fruits de mer, en particulier les poissons gras (harengs, sardines, saumon) riches en AGPI n-3, doivent être inclus dans le régime alimentaire de l’homme pour satisfaire l’organisme en acides gras essentiels et se prémunir contre certaines maladies. Les AGPI n-3 et n-6 servent de substrats dans le métabolisme oxydatif de l’acide arachidonique (AA) pour la formation d’eicosanoïde. L’acide arachidonique ainsi que d’autres AGPI à carbone 20 ou 22 sont des précurseurs de molécules de signalisation, nécessaires au fonctionnement de la cellule normale, mais qui interviennent aussi dans le développement de certaines maladies dont les maladies inflammatoires, l’athérosclérose et les cancers. En intervenant dans la synthèse de l’acide arachidonique, l’acide linoléique et γ-linolénique des plantes sont aussi indispensables au métabolisme de l’organisme. Une carence en AA, ou en composés pouvant être transformés en AA, pourrait compromettre la synthèse des prostaglandines (PG) et favoriser le développement de ces maladies. Ainsi, une alimentation équilibrée qui tient compte des AGPI peut, dans le cadre d’une prévention active, prévenir en grande partie ces maladies. Dans cette deuxième monographie, nous avons choisi de décrire le rôle de certains acides aminés dont l’arginine, la glutamine, les acides aminés soufrés et le glutathion. Ces acides aminés et ce peptide à courte chaîne interviennent dans l’inhibition du stress oxydatif et dans la prévention d’un grand nombre de maladies chroniques. Cependant, une alimentation équilibrée, qui tient compte aussi des AGPI, peut, dans le cadre d’une prévention active, prévenir en grande partie ces maladies.

L-Arginine

Biosynthèse et distribution La L-Arginine (Arg) est un acide aminé « essentiel » pour les oiseaux, les carnivores et les jeunes mammifères et « conditionnellement essentiel » pour les mammifères adultes. Elle est transformée par l’arginase en L-ornithine, précurseur des polyamines et urée (Figure 1A et 1B). L’arginine endogène est biosynthétisée dans l’intestin, à partir de la citrulline, précurseur de la créatine, qui joue un rôle essentiel dans le système nerveux, les testicules et dans le métabolisme énergétique du muscle. Elle influence également la fonction immunitaire et accroît la sécrétion de l’hormone de croissance [1]. Chez les rats diabétiques, l’accumulation d’hémoglobine glyquée est inhibée par l’arginine et la spermidine [2]. Au cours de l’allaitement, lorsque l’apport d’arginine au nouveau-né, fourni uniquement par le lait, est insuffisant, l’arginase endogène est réprimée et les enzymes nécessaires à la production d’arginine à partir de la citrulline, telles que l’arginosuccinate synthétase (ASS) et l’arginosuccinate lyase (ASL), sont alors exprimées dans les entérocytes. Après le sevrage, l’ASS et l’ASL des entérocytes sont réprimés, l’intestin ne synthétise plus que de la citrulline et l’arginase endogène est de nouveau exprimée. Dans les tissus qui expriment l’ASS et l’ASL, l’arginine est synthétisée à partir de la citrulline. La biosynthèse de l’arginine endogène chez l’animal adulte se fait principalement dans le rein, à partir de la citrulline, alors que, dans l’intestin, elle se fait à partir de la glutamine et de la proline. Chez les mammifères, il existe deux isoformes d’arginase codées par des gènes différents : l’arginase cytosolique ou type I et l’arginase mitochondriale ou type II [3]. L’arginase cytosolique est exprimée dans le foie. Elle est impliquée dans la synthèse de l’urée et dans la désintoxication de l’ammoniaque. L’arginase mitochondriale, faiblement exprimée dans les tissus extra-hépatiques, est impliquée dans les fonctions de biosynthèse de l’ornithine, de la

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Figure 1A. Métabolisme de l’arginine. Transformation de la L-arginine en L-ornithine - précurseur des polyamines et de l’urée -, composé important du cycle de l’urée.

Figure 1B. Biosynthèse des polyamines. L’ornithine est décarboxylée pour former la putrescine. L’ajout d’un groupe aminopropyle (à partir de l’adénosylméthionine) à la putrescine formera la spermidine et l’ajout d’un groupe d’aminopropyle supplémentaire à la spermidine formera la spermine.

L-Arginine

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proline et du glutamate [4]. Malgré les concentrations de polyamines, qui sont 2 à 3 fois plus importantes dans les tumeurs du sein que dans les tissus normaux périphériques, le rôle de l’arginase dans la biosynthèse des polyamines et le développement des cancers du sein est peu connu [5]. La concentration d’arginine du plasma humain varie entre 95 à 250 mol/l en fonction des aliments absorbés et de l’âge de l’individu. Lorsque les concentrations d’arginine endogènes sont insuffisantes pour une croissance optimale, la source principale d’arginine provient alors de l’alimentation. Rôle et mécanisme d’action L’action principale de l’arginine est son rôle de précurseur dans la synthèse du monoxyde d’azote (NO), Le NO est un radical libre, synthétisé dans toutes les cellules et le plasma, à partir de l’arginine, par la NO synthétase (NOS) [12]. L’administration d’Arg par voie systémique ou orale améliore les fonctions cardiovasculaires, réduit l’ischémie du myocarde des individus qui souffrent de maladies cardiovasculaires ou coronariennes [6, 7], baisse la tension des hypertendus et réduit la résistance vasculaire dans le cas d’insuffisance rénale [8]. Elle peut aussi inverser complètement le dysfonctionnement endothélial des patients hypercholestérolémiques, bien que la concentration d’arginine dans le plasma de ceux-ci ne soit pas modifiée [9]. L’augmentation du cholestérol total et du LDL-cholestérol, conséquence d’une alimentation riche en méthionine et en lysine, peut être réduite par l’arginine. On peut donc supposer que le rapport lysine/arginine élevé, conséquence d’une carence en arginine, peut être responsable de l’athérosclérose [10, 11]. La synthèse de NO varie selon le type de cellules et dépend des enzymes qui utilisent du NADPH comme co-facteur. L’isoforme neuronale de NOS est exprimée dans les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins et dans le système nerveux central. Les cellules endothéliales des vaisseaux qui expriment une NOS constitutive ont, après activation immunologique, le potentiel d’exprimer une NOS inductible (iNOS) produite en réponse aux endotoxines, cytokines ou aux facteurs de l’inflammation. iNOS est exprimée dans les macrophages, les hépatocytes, les cellules endothéliales des muscles et des vaisseaux sanguins [13]. Le NO synthétisé par l’intermédiaire d’iNOS contribue à l’activité cytotoxique des macrophages contre les bactéries, les protozoaires [13, 15] et les cellules tumorales [16-21]. Les macrophages expriment de l’arginase qui transforme la L-Arg en L-ornithine, laquelle, via l’ornithine décarboxylase, formera les polyamines, composés essentiels, non seulement de la prolifération et de la différenciation cellulaire, mais aussi de la transformation cancéreuse des cellules de mammifères [20, 21]. Les macrophages situés au niveau de la tumeur peuvent donc être soit nuisibles, soit

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bénéfiques à la croissance tumorale en fonction de l’influence de l’arginase et d’iNOS. Le produit final de NO, chez l’animal, est le nitrate, et son excrétion dans les urines est utilisée comme indicateur de la synthèse in vivo de NO à partir de l’Arg. La production de NO est en relation aussi bien in vitro qu’in vivo avec le métabolisme des cyclo-oxygénases (COX) [22, 23]. iNOS est impliqué dans le contrôle de l’activité de COX-2 qui, via la synthèse des prostaglandines et de l’angiogenèse, joue un rôle central dans la progression d’une variété de cancers. Chez l’homme, une forte expression d’iNOS est associée à la rectocolite hémorragique [28], à l’adénome du côlon [29], aux carcinomes, aux tumeurs gynécologiques, aux cancers du sein et du système nerveux central [30-33]. NO stimule l’angiogenèse de la tumeur et la perméabilité vasculaire des tumeurs solides [27]. Ainsi, les activités de NO et de COX-2 peuvent jouer un rôle dans la progression des cancers [24] et, dans le cadre d’une stratégie de chimio-prévention, il a été suggéré l’administration d’un inhibiteur sélectif de COX-2 [34]. La suppression d’iNOS peut être utilisée dans la prévention du cancer colorectal. Cette suppression est obtenue non seulement par l’aminoguanidine, inhibiteur sélectif d’iNOS, mais aussi par la restriction d’aliments riches en L-Arg, substrat d’iNOS ainsi que par le knock-out de son gène. Hormis son action sur la tumeur, NO joue aussi le rôle de neurotransmetteur et de médiateur des réactions immunitaires. Il est la forme principale du facteur de relaxation de l’endothélium, EDRF (endothelium-derived relaxing factor). NO et EDRF sont issus de l’oxydation de la L-Arg et possèdent une structure et des propriétés pharmacologiques similaires. La synthèse et le relargage du NO cellulaire sont provoqués par des agents vasodilatateurs dont l’acétylcholine, l’ATP ou la bradykinine, qui induisent un récepteur favorisant l’influx du Ca2+. Cette réaction active la guanidine-cyclase contenue dans l’hème soluble et produit du GMP cyclique (GMPc) dans les plaquettes sanguines et dans les muscles lisses des vaisseaux sanguins [14]. Le GMPc favorise la relaxation des muscles lisses vasculaires, inhibe l’agrégation des plaquettes sanguines et leur adhérence à l’endothélium. L’athérosclérose, l’hypercholestérolémie, l’hypertension et le dysfonctionnement cardiovasculaire sont, en partie, la conséquence de la déterioration de la relaxation de l’endothélium des vaisseaux sanguins. Les mécanismes associés à cette détérioration sont, entre autres, la carence en arginine, une mauvaise diffusion de NO, l’altération des cellules endothéliales par l’oxygène réactif, ROS (reactive oxygen species), . et l’inactivation du NO par l’anion superoxyde (O2-) (Figure 2). L’implication de l’anion superoxyde est suggérée par la capacité de la superoxyde dismutase (SOD) à réduire la lésion endothéliale provoquée par l’inflammation, le métabolisme xénobiotique, l’ischémie/reperfusion ainsi que par certaines maladies. L’interaction de l’électron non apparié du NO avec les anions superoxydes

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L-Arginine

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Figure 2. Le monoxyde d’azote (NO) est constitué d’un électron non apparié qui . réagira avec l’anion superoxyde (O2-) pour former du peroxynitrite (ONOO-). Les réac. tions indépendantes de l’O2- et du NO, pour former du ONOO- sont déterminantes dans l’initiation et le maintien de l’athérosclérose et contribuent au défaut de la vasorelaxation.

aboutira à la formation, dans les compartiments intracellulaires et extracellulaires, des peroxynitrites (ONOO-). Les peroxynitrites sont des médiateurs de la relaxation des cellules endothéliales et responsables de l’initiation et du maintien de l’état athérosclérotique (Figure 3) [25]. Ils sont aussi responsables, par des mécanismes directs ou indirects, des dommages causés à l’ADN et de la mutation de certains gènes, dont le gène p53, suppresseur de tumeur [26].

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Figure 3. Le peroxynitrite (ONOO-) est un oxydant formé par une réaction entre . . l’anion superoxyde (O2-) et le monoxyde d’azote (NO). O2- est engendré à partir du métabolisme des purines, dont la xanthine, et/ou de la réduction d’oxygène par les NAD(P)H oxydases localisées au niveau de la membrane. NO est synthétisé par la NO synthétase, stimulée par un processus calcium-calmoduline-dépendant ou par des cytokines pro-inflammatoires. Le peroxynitrite joue un rôle dans l’oxydation du LDLcholestérol responsable des lésions athérogènes de la paroi des vaisseaux sanguins

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L-Arginine

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Glutamine et glutamate

Besoins et rôles de la glutamine La glutamine, source d’énergie oxydative, est l’acide aminé le plus abondant dans le plasma [1]. Elle sert de précurseur métabolique dans la biosynthèse des nucléotides, du glucose et des protéines et joue donc un rôle important non seulement dans la croissance des fibroblastes, des lymphocytes et des entérocytes, mais aussi dans l’homéostasie du glutathion (Figure 1). La glutamine, le glutamate, la proline, l’histidine, l’arginine et l’ornithine constituent la « famille des glutamates » et représentent plus de 25 % des acides aminés consommés (Figure 2). Lorsque les concentrations d’arginine sont faibles, notamment après un traumatisme, l’administration de glutamine peut rétablir les taux physiologiques d’arginine [2]. La concentration de glutamine dans le plasma est en moyenne de 650 µMol/l. Lorsque la concentration est trop faible pour satisfaire la demande de l’organisme, la synthèse de glutamine s’effectue alors à partir des muscles et du foie. La glutamine se décompose facilement dans l’intestin et le rein en ammoniaque et glutamate ou pyroglutamate. Elle est l’un des substrats les plus importants de l’ammoniogenèse et du contrôle de l’homéostasie acidebase [3]. Le passage de l’ammoniaque dans les tissus implique la transamination et la désamidation de la glutamine qui, via la glutaminase, produit du glutamate, précurseur d’acide γ-amino-butyrique et inhibiteur de la neurotransmission. La glutamine est transformée par la glutaminase en α-cétoglutarate, composant du cycle de l’acide citrique, de l’acide folique polyglutaminé et du glutathion (Figure 3). L’azote de l’amide de la glutamine est impliqué dans la biosynthèse des purines et des pyrimidines (Figure 4A) et dans la production des hexosamines (Figure 4B). L’excès de glutamine dans les protéines, dû à une expansion du codon CAG, est responsable des maladies neurodégénératives. Les protéines, constituées de séquences répétées de plus

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Figure 1. Composés métaboliques dérivés de la glutamine.

de 41 résidus de glutamine, forment des agrégats toxiques dans les neurones [4]. Bien que la glutamine ait été classée comme acide aminé « non essentiel », elle devient « essentielle » lorsque le besoin excède la synthèse, dans les cas de trauma ou d’intervention chirurgicale majeure, de septicité, de transplantation de moelle osseuse ou de chimiothérapie et de radiothérapie [5, 6]. Les transporteurs de glutamine Les transporteurs d’acides aminés sont classés en deux catégories, ceux qui sont présents dans le gradient électrochimique transmembranaire et qui sont sodium-dépendants (Na+-dépendants) et ceux qui sont indépendants du gradient électrochimique transmembranaire et sodium-indépendants (Na+-indépendants). Transporteurs Na+-dépendants • Système ASC (alanine-sérine-cystéine) Ce système sert de substrat à l’alanine, à la sérine et à la cystéine. Il peut être Bo, système décrit dans les blastocystes de souris, transportant des substrats de forme zwitterion (o). ASC et Bo se distinguent par leur sélectivité à la thréonine et ont été détectés dans l’épithélium intestinal et dans le rein. Le gène ASCT2, isolé chez la souris à partir de l’ADNc de testicule et chez le rat à partir de l’ADN de cerveau, code pour 553 acides aminés. Chez l’homme, le gène hATBo, isolé à partir de choriocarcinome humain et de carcinome du côlon, possède des propriétés similaires à celui de l’ASCT2 [7].

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Figure 2. Acides aminés de la famille du glutamate.

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Figure 3. Interconversion de l’α-cétoglutarate et du glutamate.

• Système N (SN1) Ce système est localisé, chez l’homme et le rat, dans les hépatocytes, les muscles et les neurones. Il ne reconnaît que les acides aminés qui ont un azote dans la chaîne latérale, dont la glutamine, l’histidine et l’asparagine. Le gène hSN1, isolé à partir de l’ADNc des cellules d’hépatoblastome humain (HepG2), situé sur le chromosome 3, est constitué de 16 exons et de 15 introns. • Système Bo,+ Ce gène, isolé de la glande mammaire humaine (hATBo,+), code pour une protéine de 642 acides aminés. Cette protéine transporte des acides aminés, aussi bien cationiques que zwittérioniques. • Système A Contrastant avec les autres transporteurs d’acides aminés zwittérioniques, ce système ne transporte que les acides aminés N-méthylés dans le foie humain. • Système y+L Ce système, isolé de la membrane des érythrocytes humains, intervient dans l’incorporation d’acides aminés cationiques. Il nécessite du Na+ pour transporter les acides aminés zwittérioniques, dont la glutamine. Transporteurs Na+-indépendants • Système L Ce système sert surtout au transport de la leucine et son rôle dans le transport de la glutamine est relativement faible.

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Figure 4. Interaction entre la glutamine, les nucléosides et les hexosamines. (A) L’azote des purines et des pyrimidines dérive de l’amide azoté de la glutamine. (B) L’amide azoté de la glutamine est crucial pour la synthèse des hexosamines. La glucosamine 6-phosphatase nécessite le transfert de l’amide azoté de la glutamine au fructose 6-phosphate.

• Système bo,+ Ce système intervient peu dans le transport de la glutamine. Il agit surtout dans le transport des acides aminés cationiques et zwittérioniques.

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Métabolisme de la glutamine Comparée à l’asparagine, la glutamine est plus lipophilique et moins dipolaire. Après son incorporation dans la cellule, elle est transférée au cytoplasme puis aux mitochondries par un système de transport spécifique à la L-glutamine et à l’asparagine. Ce système de transport est inhibé par un analogue de la glutamine, la L-glutamate-γ-hydroxamate et par des groupements thiols. La glutamine d’origine alimentaire est absorbée dans l’intestin grêle alors que son efflux se situe dans les muscles et le poumon. Lors d’affections pathologiques, et plus particulièrement de septicité, le foie devient le principal organe de l’incorporation de glutamine. Bien que cette incorporation ne soit pas plus importante au cours des affections pathologiques, l’incorporation, l’expression et l’activité de la glutamine synthétase (GS) augmentent en revanche fortement dans des conditions de famine ou après administration d’endotoxine. Malgré ces augmentations, l’efflux de la glutamine excède celui de sa synthèse et il en résulte un épuisement du pool de glutamine intracellulaire. Parmi les grands consommateurs de glutamine, les lymphocytes, surtout en prolifération, ont des besoins bien plus importants que les lymphocytes au repos. Les macrophages sont aussi de grands consommateurs de glutamine, surtout au cours de l’inflammation, ou les besoins sont 10 fois plus importants qu’en l’absence d’inflammation. Au cours de l’acidose métabolique, le maintien de l’équilibre acide-base dans le sang est essentiel à la survie. Pour restaurer cet équilibre, l’ammoniogenèse rénale et la gluconéogenèse de la glutamine du plasma jouent un rôle important [7]. En réponse à l’acidose, le catabolisme de la glutamine est activé dans le rein, la concentration de glutamine augmente dans le plasma, alors que celles du glutamate et de l’α-cétoglutarate cellulaire (α-KG) diminuent. Lorsque l’équilibre acide-base est normal, les deux tiers des ions ammonium produits à partir de la glutamine sont captés dans le lumen et excrétés dans les urines acidifiées. L’acidification du liquide du lumen, par activation de l’échangeur Na+/H+, facilite la prise et l’excrétion des ions ammonium. Le catabolisme rénal de la glutamine, l’expression de la glutaminase, de la glutamate déshydrogénase et des transporteurs mitochondriaux de la glutamine augmente au cours de l’acidose chronique. Après l’administration d’endotoxine, le métabolisme de la glutamine rénale est modifié. Ces observations suggèrent que l’insuffisance rénale et les changements du métabolisme de la glutamine altèrent la capacité du rein à maintenir l’homéostasie acide/base. Chez l’homme, la glutamine contribue de manière très significative à l’homéostasie du glucose de l’organisme, ce qui n’est pas le cas du glutamate.

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L’insuline, les glucagons et l’adrénaline affectent le métabolisme de la glutamine, et la gluconéogenèse de la glutamine, qui se manifeste surtout dans le rein, contribue pour 20 à 25 % du glucose de l’organisme. Métabolisme de la glutamine et réactions aux pathologies Réaction aux traumatismes et aux brûlures Les blessures accidentelles, les interventions chirurgicales ou les brûlures sont souvent suivies de pertes d’azote, conséquence de la dégradation des protéines et de la translocation des acides aminés au niveau de la blessure et dans les tissus viscéraux, ainsi qu’à une plus grande excrétion dans les urines [8, 9]. L’azote issu des acides aminés et exporté aux tissus viscéraux provient pour 50 à 70 % de l’alanine et de la glutamine qui jouent, après blessure ou brûlure, un rôle dans la gluconéogenèse. Ces traumatismes ou ces brûlures sont également suivis d’excrétion de créatinine et de 3’-méthyl-histidine, deux composés principalement localisés dans le tissu musculaire. Après intervention chirurgicale, l’administration de glutamine limite la chute intracellulaire du pool d’acides aminés libres des muscles et favorise la synthèse des protéines musculaires. Le catabolisme des protéines ne reflète pas une simple perte des tissus blessés ou brûlés, il est aussi une réponse généralisée au trauma, à l’environnement hormonal et inflammatoire et participe à la régulation de cette réponse catabolique. La cortisone a un effet marqué sur la synthèse de la glutamine des muscles. Le glucagon facilite non seulement l’uréogenèse, mais il est aussi essentiel à l’incorporation de la glutamine hépatique. Les facteurs de l’inflammation comme les cytokines, les leucotriènes ou d’autres facteurs tels que les catécholamines, contribuent aussi à la réponse catabolique. Les concentrations de glutamine dans les lymphocytes décroissent considérablement après blessure, brûlure ou intervention chirurgicale, ce qui contribue à la détérioration de la fonction immunitaire. L’apport de glutamine à ces individus immunosupprimés améliore la fonction immunitaire [10]. Les grandes quantités d’acide produites après un traumatisme sont neutralisées par la glutamine rénale et les ions d’ammoniaque et d’ammonium sont excrétés dans les urines. Glutamine et cancers Le transport de la glutamine à travers la membrane de cellules malignes est plus rapide qu’à travers celle des cellules normales. De plus, la glutaminase mitochondriale est plus active dans les cellules tumorales que dans les cellules normales correspondantes.

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Parmi les nombreux isoformes clonées de cellules HT-29 (adénocarcinome humain), deux possèdent une forte homologie avec la glutaminase du rein de rat et une seule est exclusivement exprimée dans les muscles. D’autres isoformes, dont celles isolées des cellules de cancer du sein (ZR75-1) et du foie semblent être équivalentes et leurs niveaux d’expression dans le pancréas et le cerveau humain sont plus faibles que dans le foie. Les tumeurs solides ou hématologiques sont souvent la cause de nausées, vomissements, inflammation des voies orales et de l’œsophage, douleurs abdominales et diarrhée. Les malades traités par chimiothérapie, ou après transplantation de moelle osseuse, peuvent développer une tuméfaction sub-endothéliale et un rétrécissement des veines hépatiques centrales, responsables de la maladie veinoocclusive potentiellement mortelle [11]. Cette maladie est en relation, tout au moins en partie, avec la déplétion de glutathion et d’autres antioxydants qui survient après la formation de radicaux libres au cours d’une transplantation de moelle osseuse. Ces symptômes peuvent être évités, ou tout au moins réduits, par l’administration de glutamine et de vitamine E par voie orale ou intraveineuse [12, 13]. Le supplément de glutamine, après chimiothérapie, atténue la déplétion du glutathion dans le plasma, le foie et l’intestin et maintient la fonction immunitaire lors du stress catabolique [14]. De la glutamine au glutamate L’acide L-glutamique, ou L-glutamate, est un acide aminé ubiquitaire qui se trouve sous forme libre ou combinée aux peptides et aux protéines dans un grand nombre d’aliments. Dans certaines plantes, dont les tomates et de nombreux fruits, le glutamate est surtout sous forme libre. Ces plantes peuvent contenir jusqu’à 40 % d’acide glutamique alors que les protéines animales n’en contiennent qu’entre 11 et 22 % [15]. Dans le foie, l’acide glutamique est transformé en lactate alors que, dans les cellules mucosales de l’intestin, il est transformé en alanine et en glucose. Lorsque le glutamate est issu de la L-glutamine et des intermédiaires du cycle de Krebs, il est l’acide aminé libre le plus abondant dans le cerveau, dans lequel il contrôle la migration et la survie des cellules en développement. Il intervient dans la différenciation neuronale et dans la plasticité des synapses du système nerveux central (SNC) et dans les neurones qui contiennent de la dopamine ; il intervient dans l’inhibition du potentiel postsynaptique [16]. Enfin, en tant que neurotransmetteur, il joue un rôle dans l’excitation du système nerveux central des vertébrés. Il intervient dans la formation et la fonction du cytosquelette, dans les modifications post-traductionnelles de la tubuline et, par la polyglutamylation, il contrôle son interaction avec les microtubules associés aux protéines [17].

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Récepteurs et transporteurs de glutamate Le glutamate libre agit sur un grand nombre de récepteurs post- et pré-synaptiques dont les récepteurs métabotropiques (mGluR), cholinergiques (nicotinique et muscarinique), l’adénosine (A1), les kappa-opioïdes, l’acide γ-aminobutyrique (GABA) et les récepteurs cholécystokinine et neuropeptide Y (Y2) [18]. Lors d’une ischémie cérébrale, le gradient Na+ et K+ de la membrane est réduit et l’efflux du glutamate des vésicules des neurones se fait par un mécanisme Ca2+-dépendant. Les deux grands groupes de récepteurs sont les récepteurs ionotropiques et les récepteurs métabotropiques. Les récepteurs ionotropiques Ces récepteurs sont tétramériques ou pentamériques, composés de récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate) et de récepteurs non NMDA. • Les récepteurs NMDA Ils fonctionnent comme capteurs de sodium et de calcium. Chaque récepteur est constitué de sites de fixation composés de deux glycines et deux glutamates. • Les récepteurs non-NMDA Ils comportent de l’AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazole propionate) et des récepteurs kaïnate. Ces récepteurs sont responsables de la transmission rapide de l’excitation des synapses. Les agonistes AMPA comportent de l’ATPA (α-amino-3-hydroxy-5-tert-butyl-4-isoxazo propionate) et de l’aniracetam [107]. Les récepteurs kaïnate comportent les acides acromélique et domoïque. Au-delà de leurs propriétés dans l’ouverture des canaux ioniques, les récepteurs ionotropiques possèdent des propriétés fonctionnelles, fournies par le carboxy-terminal intracellulaire, capable d’interagir avec une variété de protéines, dont celles impliquées dans la transduction du signal. De plus, les récepteurs d’AMPA activent une tyrosine kinase, Lyn, laquelle active les mitogènes [19]. Les récepteurs métabotropiques (mGluR) Les récepteurs métabotropiques du glutamate sont distribués en trois groupes en fonction de leur intervention dans le mécanisme de transduction [20]. Par clonage moléculaire, huit sous-types de récepteurs métabotropiques (de mGluR1 à mGluR8) ont été mis en évidence.

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Les sous-types mGluR1 et mGluR5 représentent les récepteurs du groupe I. Ils stimulent la phospholipase C (produit du diacylglycérol), activent la protéine kinase C (PKC) et l’inositol-1,4,5-triphosphate, et hydrolysent les phospho-inositides qui participent à la sortie du Ca2+ intracellulaire. L’agoniste le plus puissant pour ce groupe est le quisqualate. Les sous-types mGluR2 et mGluR3 représentent les récepteurs du groupe II. Ils inhibent la forskoline, et stimulent la formation d’AMP cyclique (AMPc). L’agoniste pour ce groupe est le 2,3-dicarboxycyclopropyl-glycol. Les mGluR4, mGluR6, mGluR7 et mGluR8 représentent les récepteurs du groupe III qui possèdent les mêmes propriétés que les récepteurs du groupe II. Les agonistes pour ce groupe sont le L-AP4 (L-amino-4-pyrophosphobutyrate) et le O-SOP (L-sérine-O-phosphate) [20]. Les transporteurs sont distribués dans les cellules de la région cérébrale. Les transporteurs de glutamate (GLT) et d’aspartate (GLAST) des cellules gliales prédominent dans le cervelet et l’hippocampe [21]. Les GLT des astrocytes du cerveau humain sont similaires à ceux retrouvés dans l’hippocampe du rat. Le glutamate libre, en excès, est capté à l’intérieur des synapses par les cellules neuronales et gliales et transporté par des glycoprotéines Na+-dépendantes. Le transporteur d’acides aminés EAAT1 (excitatory amino acid transporters), responsable de l’excitation du système nerveux central, est localisé dans les neurones, alors que le transporteur EAAT4 est localisé dans le cervelet [22]. Les transporteurs neuronaux sont fixés sur la membrane, liés au canal Clqui s’ouvre lorsque le glutamate hyperpolarise la membrane postsynaptique et diminue l’activité synaptique. Le transporteur membranaire du glutamate transporte aussi bien le D- que le L-aspartate, tandis que le transporteur vésiculaire du glutamate n’est sélectif que pour le L-glutamate. Bien que des inhibiteurs du transport de glutamate, dont l’acide l-trans-pyrrolidine2,4-dicarboxylique, aient été mis en évidence, on ne sait toujours pas s’il existe une relation entre les concentrations d’acide glutamique extracellulaire (responsables de l’hyperexcitation et/ou de la mort des neurones) et l’absence ou l’inhibition de ces transporteurs. Les transporteurs spécifiques du glutamate peuvent être modulés par d’autres moyens. L’acide arachidonique, par exemple, bloque l’incorporation d’acide glutamique et la sérotonine module sa fixation aux récepteurs. En revanche, l’interleukine-1β ainsi que le neuropeptide Y activent le relargage de l’acide glutamique neuronale. Le glutamate, « exhausteur » de goût Le glutamate de sodium est souvent ajouté aux produits alimentaires pour en accroître la saveur. Des études psychométriques révèlent que le glutamate

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rehausse la perception de douceur et de salinité et diminue en revanche celle de l’aigreur et de l’amertume [23]. Le glutamate (mais pas la glutamine) a aussi son propre goût nommé umami (goût savoureux). Le glutamate, l’inosine-5’-monophosphate et la guanosine-5’-monophosphate sont des produits d’origine végétale ou animale [24]. Les mécanismes moléculaires impliqués dans la transmission du goût sont basés, d’une part sur l’activation des récepteurs, canaux ioniques de l’acide glutamique (les récepteurs du type NMDA servent de médiateur à la transduction sensorielle primaire) et, d’autre part, sur l’hyperpolarisation causée par le mGluR4 (l’activation du récepteur métabotropique module le récepteur du glutamate) ou par des connexions de neurones sensibles aux stimulus olfactifs [25]. La sensation du goût peut aussi être localisée dans les neurones de la région latérale de l’hypothalamus. Les unités réceptrices du NMDA, par opposition à celles du mGluR4, sont exprimées dans différentes cellules de la langue et impliquées dans le goût. Les souris, chez qui le gène mGluR4 est absent, ne discernent pas les goûts sucrés et salés. Glutamate et neurotoxicié Les lésions cérébrales et la dégénérescence des neurones, provoquées par des injections sous-cutanées de glutamate chez la souris, sont à l’origine du concept d’un agent « excitotoxique ». Ce concept soulève la question du rôle néfaste que peut avoir le glutamate comme additif alimentaire. À l’exception des singes Rhésus, les lésions cérébrales se retrouvent dans la plupart des espèces animales [26]. L’effet neurotoxique du glutamate est attribué aux effets agonistes du NMDA (acide quinolinique ou iboténique), de l’AMPAkaïnate (acides kaïnique, quisqualique et domoïque) et aux récepteurs métabotropiques du groupe 1. Après transfection par le gène du NMDA, les effets neurotoxiques résultent de la stimulation accrue des récepteurs du glutamate. Les cellules non-neuronales (normalement insensibles au glutamate) sont rendues sensibles au glutamate par ces récepteurs. Chez l’homme, la neurotoxicité est liée à l’altération des récepteurs du glutamate, altération similaire à celle produite par l’acide domoïque, synthétisé par des diatomées marines (Nitschia pungens) et des moules bleues (Mytilus edulis). Les symptômes qui apparaissent entre une et quatre heures après ingestion de moules contaminées peuvent être neutralisés après administration des antagonistes du récepteur NMDA. La neurotoxicité aiguë et la mort cellulaire observées lors d’ischémie cérébrale, trauma cérébral ou asphyxie périnatale, sont attribuées à l’action du glutamate sur les récepteurs AMPA, NMDA ou mGluR1. La mort neuronale résulte de la nécrose ou de l’apoptose avec activation de la caspase 3

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(protéases, cystéine) [27]. Les antagonistes de ces récepteurs, protègent les cellules neuronales de l’homme atteint d’ischémie ou de traumatisme cérébral [28]. La neurodégénérescence chronique observée dans les maladies des neurones moteurs (MND), la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie de Huntington, les maladies de Parkinson ou d’Alzheimer, dépend de l’action du glutamate endogène sur les récepteurs NMDA ou AMPA [26]. Dans les maladies des neurones moteurs, la réduction de l’expression de GLT-1 dans les régions cérébrales et la moelle épinière a mis en évidence le rôle des récepteurs AMPA [29]. Les antagonistes de ces récepteurs, dont le GYKI 52466, inhibent le développement de la SLA. Lorsque les transporteurs de glutamate sont défectueux et que l’activité des récepteurs AMPA augmente, les médicaments antiglutamate sont proposés dans le traitement de la SLA [30]. Les antagonistes des récepteurs AMPA protègeraient aussi contre les effets toxiques associés aux mutations des superoxydes dismutases des neurones [31]. D’autres pathologies dont l’épilepsie, l’amnésie, l’hyperalgésie et la schizophrénie sont aussi associées aux altérations des récepteurs du glutamate. Chez l’homme et l’animal, l’altération des canaux ioniques sensibles à la charge électrique du calcium, potassium ou sodium ainsi qu’aux échangeurs de sodium/hydrogène et aux récepteurs nicotinique et cholinergique sont reponsables des syndromes épileptiques. Les convulsions constatées chez les animaux après administration de glutamate sont attribuées à l’augmentation de la conductivité du calcium et du sodium via les canaux ioniques (récepteurs NMDA ou non-NMDA). Les agonistes sélectifs (NMDA, AMPA, kaïnate, acide iboténique, acide domoïque) ou d’autres composés d’excitation endogènes, dont les quinolinates ou encore certains acides aminés qui contiennent du soufre, peuvent aussi causer des convulsions, de même que l’activation des récepteurs du groupe 1 des mGluR par l’agoniste 3,5-dihydroxyphénylglycine qui accroît l’excitabilité neuronale par potentialisation des effets du NMDA et de l’AMPA et la dépolarisation de la membrane. En général, lorsque les agonistes qui agissent sur les récepteurs du groupe 1 (mGluR1 ou mGluR5) sont injectés dans le cerveau, ils produisent une activité épileptique et neurodégénérative associée à la dépolarisation de la membrane, conséquence de la diminution de la conductivité du potassium. À l’inverse, les antagonistes sélectifs du mGluR1 (AIDA et LY 36785) et du mGluR5 (MPEP et SIB 1893) ont, au contraire, des activités anticonvulsives. Les interactions entre l’activation des récepteurs glutamatergiques et d’autres systèmes émetteurs (transport d’ions, activation des gènes et modification des récepteurs) placent les synapses de transmission du glutamate comme cibles potentielles de l’activité des médicaments dans le traitement de certaines maladies neurologiques et

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psychiatriques. Dans les modèles d’épilepsie aiguë et chronique, les antagonistes des récepteurs de NMDA (felbamate, rémacémide), ceux du site des canaux ioniques et du site de la glycine, des polyamines et de l’AMPA/kaïnate (topiramate) ont un large spectre anticonvulsion. En conclusion, l’excitotoxicité du glutamate est probablement la voie commune dans un grand nombre de maladies du système nerveux. La protection de la fonction des synapses passe par la prévention des lésions neuronales. Dans le système nerveux des mammifères, l’homéostasie du glutamate est maintenue dans les astrocytes qui utilisent des gradients transmembrannaires, électrochimiques pour les Na+, K+ et H+. La rupture de ces gradients et la dépolarisation des membranes favorisent le relargage du glutamate des astrocytes. De faibles concentrations de glutamate (de l’ordre du micromolaire) sont normalement maintenues, via l’activité des transporteurs de glutamate Na+, exprimée par les neurones et les astrocytes. Contrairement aux neurones, les cellules gliales peuvent proliférer de manière non contrôlée et aboutir à une tumeur cérébrale primaire, le gliome. Les cellules du gliome libèrent du glutamate susceptible d’induire une neurotoxicité et retarder la mort des cellules Ca2+-dépendantes en activant les récepteurs de NMDA et d’AMPA/kaïnate des neurones de l’hippocampe [32]. La potentialisation de l’action du glutamate sur les récepteurs d’AMPA, les AMPAkines, réduit les symptômes d’amnésie. La perte de fonction ou l’inactivation de certains récepteurs NMDA est associée à certaines psychoses (en tant que facteurs contribuant à la schizophrénie). Des médicaments antipsychotiques standard contenant de la glycine et de la D-cyclosérine, dont l’halopéridol ou la clozapine, peuvent être efficaces, tout au moins en partie, dans la potentialisation des récepteurs NMDA [33]. Les récepteurs NMDA de la moelle épinière ont aussi été impliqués dans l’hyperalgésie et la D-cyclosérine, agoniste partiel de ces récepteurs, a aussi été proposée dans la thérapie de la maladie d’Alzheimer.

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Acides aminés soufrés

La méthionine et la cystéine sont, chez les mammifères, les deux acides aminés qui contiennent des soufres primaires. La méthionine est un acide aminé essentiel fourni par l’alimentation, tandis que la cystéine, acide aminé non essentiel, est un métabolite de la méthionine. Ces acides aminés agissent sur l’état redox des cellules, les désintoxiquent des radicaux libres, de l’oxygène réactif, ROS (reactive oxygen species) et des substances toxiques. Ils contribuent à l’homéostasie et au métabolisme du carbone dans la cellule ainsi qu’au pool du soufre organique. L’absence d’enzymes qui contrôlent le pool du soufre conduit à une variété de maladies génétiques, dont l’homo-cystinurie et l’homo-cystéinémie, ainsi qu’à des altérations du tube neural. De même, le déséquilibre des groupements thiols est responsable notamment de maladies vasculaires, de la maladie d’Alzheimer ou de cancers. Biosynthèse et métabolisme de la méthionine et de la cystéine La méthionine La méthionine est nécessaire à la synthèse des protéines et sa forme active la S-adénosylméthionine (SAM) intervient comme donneur de méthyle dans un grand nombre de réactions biologiques. Initialement, l’ATP (adénosine tri-phosphate) est attaché à un atome de soufre de la méthionine pour former la SAM, réaction catalysée par la méthionine adénosyl transférase (MAT) (Figure 1). La condensation entre SAM et glycine, réaction catalysée par une enzyme cytosolique, la glycine N-méthyltransférase (GNMT) formera, dans une deuxième étape, la S-adénosylhomocystéine (SAH) [1]. La GNMT est une protéine fortement exprimée dans le foie qui capte le folate et contrôle le rapport SAM/SAH et l’équilibre des thiols cellulaires. Lorsque la disponibilité des groupes méthyles est limitée, l’activité GNMT est réduite afin de fournir d’autres SAM, méthyltransférases-dépendantes. La transformation de

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Figure 1. Transformation et métabolisme de la méthionine. Transformation de la méthionine en cystéine et interaction entre cette transformation, le folate et le métabolisme à un carbone, Les enzymes qui interviennent sont : (1) la méthionine adénosyl-transférase (MAT) ; (2) la glycine N-méthyltransférase (GNMT) ; (3) la cystathionine β-synthétase (CBS) ; (4) la γ-cystathionine (γ-CYS) ; (5) la cystéine sulfinique acide décarboxylase (CDO) ; (6) la bétaïne homocystéine méthyltransférase (BHMT) ; (7) la méthionine synthétase (MS) ; (8) la 5,10 méthylène tétrahydrofolate déshydrogénase ; (9) la 5,10 méthylène tétrahydrofolate réductase (MTHFR).

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SAH en homocystéine est l’intersection des voies de trans-sulfuration et du cycle de l’acide folique. Ainsi, avant d’analyser les voies de transformation de la méthionine en cystéine, il faut ouvrir une parenthèse sur le rôle de la GNMT, protéine qui fixe le folate en tant que capteur pour le maintien de l’équilibre des thiols cellulaires. L’acide folique La forme active et hydrosoluble de l’acide folique, le tétrahydrofolate (THF), est issue de la relation entre les méthyles et les acides aminés soufrés et de la transformation de l’homocystéine en méthionine (Figure 1). L’acide folique est synthétisé par deux réactions séquentielles de réductions, catalysées par la dihydrofolate réductase (DHFR). La forme extracellulaire de l’acide folique, la 5,10-méthényle-THF est, une fois transportée dans les cellules, déméthylée en THF. La déméthylation nécessite la participation de l’acide folique et de la vitamine B12 et s’accomplit lorsque l’homocystéine a accès à un accepteur de méthyle pour se transformer de nouveau en méthionine. Cette réaction n’a que peu d’intérêt dans la régénération de la méthionine. En revanche, elle a une grande importance dans l’homéostasie de l’acide folique et amène à considérer cet acide aminé comme essentiel. La 5,10-méthényle-THF, impliquée dans le métabolisme de la glycine et de la sérine, est engendrée de la THF, soit par transformation de la sérine en glycine, soit par décarboxyation de la glycine. Lorsque les radicaux méthyles sont peu disponibles, la concentration de SAM est faible et celle de la 5-méthyle-THF augmente et conduit à l’inhibition de l’activité de la GNMT. En revanche, en excès de radicaux méthyles, la concentration de SAM augmente, entraînant avec elle une diminution de la 5,10 méthylène tétrahydrofolate-réductase (MTHFR) et de la 5-méthyle-THF, et une augmentation de l’activité de la GNMT. Ainsi, l’inhibition allostérique de la MTHFR par la SAM est inactivée par une baisse concomitante de la concentration en 5-méthyle-THF, inhibiteur de la GNMT. La trans-sulfuration La méthionine est, chez les humains, la seule source de formation de l’homocystéine. Lorsqu’elle ne peut être métabolisée, soit par méthylation, soit par trans-sulfuration, l’homocystéine se retrouve dans la circulation sanguine et devient facteur de risque des maladies cardiovasculaires [3-5]. Bien qu’il existe une étroite relation entre les fortes concentrations d’homocystéine dans le plasma et la mortalité, il n’a pas encore été établi si l’incidence accrue des maladies cardiovasculaires est la cause ou l’effet de ces fortes

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concentrations [6]. L’homocystéine combinée à la sérine forme, dans une réaction catalysée par la CBS (cystathionine β-synthétase) et la vitamine B6, la cystathionine puis la cystéine. Le métabolisme de la cystéine peut éventuellement mener à la taurine, un acide aminé non conventionnel que l’on retrouve principalement dans les fruits de mer et certains poissons et qui joue un rôle important dans le développement du fœtus et de l’enfant. Une faible concentration de cystéine peut être limitante dans la synthèse et le pool du glutathion cellulaire, alors que de fortes concentrations dans le plasma sont toxiques [2]. Pathologies associées aux réactions de trans-sulfuration L’homocystéinurie Chez les individus qui souffrent d’homocystéinurie, l’accumulation dans les cellules et dans les liquides de l’organisme de méthionine et d’homocystéine réduit la disponibilité de la cystéine et altère sa biosynthèse. L’excès d’homocystéine dans le plasma sanguin altère la synthèse du collagène, contribue à des complications oculaires et à l’ostéoporose, interfère avec la formation et le maintien de la paroi vasculaire, accroît l’agglutination des plaquettes sanguines et contribue à la formation de thromboses artérielles et veineuses. Il existe un rapport entre les maladies cardiovasculaires et les concentrations élevées d’homocystéine dans le plasma. Cependant, le supplément d’acide folique et de vitamines du groupe B, déficientes dans l’alimentation, peut résoudre les défaillances métaboliques sous-jacentes à l’excès d’homocystéine et réduire sa concentration dans le plasma sanguin [7, 8]. L’homocystinurie L’homocystinurie est un désordre métabolique qui affecte principalement les individus des régions celtiques. Alors que l’homocystinurie dans le monde affecte un individu sur 344 000, dans les régions celtiques, elle affecte un individu sur 65 000. L’homocystinurie affecte les yeux, le système nerveux central, le système vasculaire et le squelette. Le désordre métabolique est caractérisé par des changements qui aboutissent à l’augmentation dans les liquides de l’organisme d’homocystine (disulfide d’homocystéine) et de méthionine (Tableau I). La forme la plus répandue de la maladie est caractérisée par une baisse d’activité de la cystathionine β-synthétase (CBS). Les autres formes résultent d’un défaut de la transformation de l’homocystéine en méthionine. La CBS est un hème de 63 kDa qui catalyse la condensation entre l’homocystéine et la sérine pour former la cystathionine et son activité

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Tableau I. Caractères biochimiques de l’homocystinurie. • • • • • • •

Défaut du métabolisme de la vitamine B12 Déficit en N (5,10)-méthylènetétrahydrofolate réductase Mauvaise absorption intestinale de la vitamine B12 Homocystinurie sensible à la vitamine B12, type clb E Déficit en méthylcobalamine, type cbl g Défaut métabolique de la vitamine B12, type 2 Déficit en transcobalamine II

est stimulée par la SAM et nécessite de la pyridoxine phosphate (Figure 1). Le gène de la CBS est situé dans la région q21 du chromosome 21 et plus de 90 maladies sont associées aux mutations du gène [10]. Dans les régions celtes, la mutation la plus commune est la G307S. Les individus homozygotes pour cet allèle ne répondent pas au supplément pyridoxine, tandis que les individus avec une mutation I278T répondent favorablement à ce supplément. En l’absence totale de CBS, plus de 80 % des individus homozygotes ont des défauts optiques et environ 50 % ont un retard mental avec parfois des troubles du comportement. Les individus qui souffrent d’homocystinurie ont, malgré ces défauts, un large spectre de capacités cognitives et environ 30 % sont d’une intelligence normale. Les individus qui manifestent des changements de capacités sont classés en deux catégories : ceux qui répondent au supplément B6 (ces individus ont un quotient intellectuel moyen de 79) et ceux qui sont insensibles au supplément B6 (ces individus ont un quotient intellectuel moyen de 57) [9]. Chez les hétérozygotes, les niveaux d’enzymes sont de 25 à 30 % du niveau normal et environ 25 % des patients meurent de maladie vasculaire occlusive, avant l’âge de 30 ans. D’une manière générale, ces patients sont des sujets à risque de la maladie vasculaire occlusive et des maladies cérébrales et périphériques prématurées. Le traitement efficace de l’homocystinurie dépend de la précocité du diagnostic. Des enfants de bas âge qui souffraient de cette maladie ont été traités avec succès après administration de méthionine et de régime pauvre en cystine. Cystathionurie La cystathionurie est un désordre autosomique récessif, attribué au clivage de la cystathione en cystéine, dû à un défaut de la γ-lyase cystathionase. En raison des concentrations élevées dans le plasma, l’excrétion augmente dans les urines. La cystathionurie est une anomalie biochimique bénigne qui a une faible incidence sur les naissances (1 sur 14 000). Cliniquement, elle

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n’est pas associée à une pathologie typique ou persistante. Cependant, certains individus peuvent manifester des défauts du développement, des convulsions, des thrombocytopénies ou des déficiences mentales. Pathologies associées à des anomalies de l’absorption Méthionine Le défaut d’absorption de la méthionine, responsable de maladies, est autosomique récessif, avec des effets directs sur la muqueuse jéjunale. Les manifestations cliniques qui accompagnent ce défaut sont la déficience mentale, les convulsions, les crises d’hyperpnée, la croissance de cheveux blancs et l’acidurie α-hydroxybutyrique. Le diagnostic est établi suite à l’excrétion dans les urines d’acide hydroxybutyrique, sous-produit de la dégradation de la méthionine qui n’est pas absorbée par la flore intestinale et responsable d’une odeur rémanente de malt. Un régime restreint en méthionine améliore la manifestation de ces symptômes. Folate La mauvaise absorption du folate est un défaut héréditaire du transport de l’acide folique dans l’intestin et à travers la barrière hémato-encéphalique [11]. Les individus qui souffrent de ce désordre manifestent une anémie mégaloblastique, une déficience mentale, des convulsions et des désordres dans les mouvements. Les traitements de ces défauts sont contradictoires, certains résultats montrent une réduction des crises par l’acide folique alors que d’autres considèrent au contraire une aggravation des symptômes [12]. Pathologies associées à des anomalies du transport La cystinurie La cystinurie est l’une des erreurs innées les plus communes du transport des acides aminés. C’est un caractère récessif, autosomique, dû à la mutation des acides aminés structurellement apparentés et à l’altération des protéines de transport de la membrane. La cystinurie est caractérisée par l’excrétion excessive dans les urines de lysine, d’arginine, d’ornithine et de cystine, avec comme conséquence une réabsorption tubulaire restreinte de ces acides aminés. Malgré un défaut d’absorption dans le tube digestif, les symptômes cliniques de la cystinurie se caractérisent par la constitution de calculs de cystine dans les reins, l’urètre et la vessie. Ces calculs sont dus à la cystine

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peu hydrosoluble et plus susceptible de précipiter dans des organes cibles. À pH physiologique, la solubilité de la cystéine est d’environ 300 mg par litre. Les individus qui souffrent de cystinurie excrètent de 600 à 1 800 mg de cystéine par jour, ce qui contribue à la formation de calculs. Ces calculs interviennent surtout dans la deuxième ou la troisième décennie de la vie. Chez les hétérozygotes, il existe trois types de cystinurie qui se distinguent par l’excrétion de cystine et d’acides aminés dibasiques dans les urines. Le type I est spécifiquement attribué aux hétérozygotes qui excrètent des quantités normales de cystine et d’acides aminés dibasiques. Le type II est attribué aux hétérozygotes qui en excrètent 9 à 15 fois plus que la gamme normale et le type III est attribué aux hétérozygotes qui excrètent deux fois la gamme normale. Seuls les individus du type III répondent au supplément de cystine. Le mécanisme sous-jacent responsable de ce désordre est attribué aux mutations d’au moins deux transporteurs d’acides aminés. La cystinurie de type I est attribuée au gène SLC3A1, localisé sur le chromosome 2 [13]. Les mutations d’un deuxième transporteur d’acides aminés ont été identifiées chez des individus qui souffrent de cystinurie de types II et III. Ce transporteur est constitué d’une chaîne lourde et d’une chaîne légère, codées par deux gènes (SLC7A9 et SLC7A3) [13]. Les mutations du gène SCL7A9 ont été qualifiées dans le cas de cystinurie légère (allèle A182T) à sévère (allèles G105R, V170M et R33W). Le traitement de la cystinurie consiste en une ingestion importante de liquide (souvent plus de quatre litres par jour). Cette forte consommation de liquide sert à empêcher la formation de calculs ou à dissoudre ceux existants et à l’excrétion de cystéine des urines qui doit être d’au moins 250 à 300 mg par litre. Un autre traitement est l’utilisation de pénicillamine qui favorise l’échange redox avec la cystéine pour former le disulfide de pénicillamine. Ce disulfide est significativement plus soluble que la cystine et peut donc aider à réduire les concentrations physiologiques d’acides aminés. Pathologies associées au métabolisme de l’acide folique Carence en méthionine synthétase réductase La méthylation de l’homocystéine par la méthionine synthétase conduit à la formation de méthionine. La méthionine synthétase nécessite le cofacteur cob(I)alamine, qui, une fois oxydé, se transforme en cob(II)alamine qui inactive l’enzyme. Pour maintenir la méthionine synthétase dans un état fonctionnel, une deuxième enzyme, la méthionine synthétase réductase (MTRR), protéine de 77,7 kDa et 698 acides aminés est nécessaire. Cette enzyme appartient à la famille des enzymes de l’électron transférase. Différentes mutations

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du gène MTRR sont associées à l’anémie-homocystinurie mégaloblastique et au spina bifida [14, 15]. Carence en méthylène-tétrahydrofolate réductase La 5,10-méthylène-tétrahydrofolate réductase (MTHFR) est l’enzyme qui catalyse la transformation de la 5,10-méthylène-THF en 5-méthyle-THF, cosubstrat pour la reméthylation de l’homocystéine en méthionine. Une sousunité du MTHFR, de 7,2 kb, est transcrite dans tous les tissus et une autre de 9 kb est transcrite dans le cerveau, le muscle, le placenta et l’estomac. Il existe un grand nombre de polymorphismes du gène, dont certains sont associés à une diminution de l’activité enzymatique, pouvant aboutir à une carence en MTHFR et à l’altération du métabolisme du folate. L’altération de l’activité enzymatique est associée à 24 sites de mutations, dont 9 sont la cause de carence élevée et responsables de nombreuses pathologies, dont l’homocystinurie et l’homocystéinémie, ainsi que des maladies coronariennes et des défauts du tube neural. Les mutations C559T et G482A ont été détectées chez les individus qui avaient une faible capacité enzymatique et souffraient d’homocystinurie sévère. L’allèle qui a été le plus étudié est le C667T, thermolabile, et avec une fréquence de mutation de 0,1 à 0,38 (Tableau II) [16]. Les individus qui portent cet allèle ont un défaut de distribution du folate, une diminution de l’homocystéine du plasma et une méthylation plus importante de l’ADN [17, 18]. L’augmentation du folate dans le plasma, à des concentrations supérieures à 15,4 nM, neutralise les symptômes cliniques provoqués par cet l’allèle thermolabile. Les individus homozygotes qui portent cet allèle ont un risque 3 fois plus grand de développer des maladies cardiovasculaires prématurées. Ce risque est d’autant plus grand que le niveau de folate dans le sérum est faible [19]. Tableau II. Allèle C667T du gène MTHFR dans diverses populations. • Canadiens français • Caucasiens • Afro-américains

0,38 0,30 0,10

Altérations du tube neural et insuffisance de la MTHFR Le défaut du tube neural (NTD), transmis héréditairement, est un caractère récessif, lié au développement anormal de la moelle épinière. Les désordres associés au NTD sont le spina bifida occulta, la diastématomyélie et le

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lipome intradural ou extradural. L’allèle C667T est le premier facteur moléculaire de risque génétique des défauts du tube neural [20]. Bien que les défauts du tube neural ne résultent pas d’une carence alimentaire en folate mais d’altérations métaboliques, ils peuvent être corrigées par de fortes doses d’acide folique administrés au cours du développement de la maladie. L’acide folique, en fournissant les facteurs nécessaires à la reméthylation de l’homocystéine en cystéine, réduit le niveau d’homocystéine dans le sang. L’administration d’acide folique avant la conception et pendant les 4 premières semaines de la grossesse peut empêcher 50 % des altérations du tube neural [21]. Aux États-Unis, il est recommandé pour les femmes enceintes de supplémenter les céréales par de l’acide folique à raison de 140 µg par 100 g de céréales. Les facteurs à risque pour le spina bifida Le spina bifida est l’un des désordres associés au NTD, et se manifeste chez 0,14 % de la population générale, Le polymorphisme des gènes du MTHFR (C677T), du MTRR (A66G) et de la méthionine synthétase (A2756G) a été largement étudié dans les familles qui souffrent de spina bifida [14, 15, 22]. La relation entre ces enzymes et la maladie est compliquée si l’on considère que d’autres facteurs affectent la mère et l’embryon. Une étude portant sur 106 mères et 104 enfants de familles affectées, et un groupe témoin de 100 adultes, indique que le caractère homozygote de la mère pour le polymorphisme des gènes du MTHFR et de la méthionine synthétase confère un risque élevé de la maladie [22]. Le risque d’avoir un enfant avec un spina bifida augmente avec le nombre d’allèles maternels. Le syndrome de Down Le « syndrome de Down » est un désordre associé à la trisomie 21. La synthèse de la méthionine qui dépend du folate et le métabolisme de l’homocystéine sont altérés et la protéine CBS est surexprimée. L’emplacement du gène CBS sur le chromosome 21 a un impact significatif sur les individus qui ont un chromosome complémentaire. Les polymorphismes maternels des MTHFR (C667T) et des MTRR (A66G), sont des facteurs à risque pour le spina bifida et le « syndrome de Down ». Les individus qui souffrent de « syndrome de Down » manifestent aussi des signes neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer (présence de plaques séniles et enchevêtrements neurofibrillaires) dans le cerveau bien qu’elle apparaisse à un âge plus précoce [23]. Le polymorphisme du gène MTHFR et l’augmentation de l’homocystéine du plasma sont associés, chez certaines populations,

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à la maladie d’Alzheimer [24]. En conclusion, le polymorphisme du MTHFR est associé en général au syndrome de Down, au spina bifida et au dysfonctionnement mental dans la maladie d’Alzheimer Cancer La méthionine est un acide aminé essentiel qui joue un rôle majeur dans le métabolisme à un carbone et dans la synthèse d’ADN. Contrairement aux cellules normales, certaines cellules cancéreuses expriment pour leur croissance une grande dépendance à la méthionine [25]. La dépendance des cellules cancéreuses à la méthionine est associée à un défaut de la méthionine synthétase. Cependant, l’activité réduite de cette enzyme n’a été démontrée que dans certaines cellules cancéreuses. La croissance des cellules cancéreuses qui dépendent de la méthionine est aussi influencée par d’autres facteurs, dont les défauts du métabolisme de la cobalamine ou l’expression défectueuse de la méthylthioadénosine phosphorylase [26]. Bien qu’il soit difficile d’analyser in vivo la dépendance des tumeurs cancéreuses à la méthionine, des essais cliniques portant sur le polymorphisme de la méthionine synthétase réductase (MTRR), de la méthionine synthétase et de la MTHFR ont été effectués dans 72 cas de cancers du côlon, 70 cancers rectaux, et comparés à 241 échantillons provenant d’individus non-cancéreux. Les résultats obtenus sur une population japonaise montrent que le polymorphisme A66G du MTRR confère aux homozygotes un risque de cancer colorectal significativement plus élevé que dans le cas d’autres génotypes. En revanche, dans les populations caucasiennes qui souffrent de lymphome non-hodgkinien, le polymorphisme de la méthionine synthétase A2756G confère un risque 2,4 fois plus faible. Le phénotype commun des néoplasies chez l’homme est la méthylation de l’ADN. L’étude du métabolisme à un carbone et sa relation aux cancers montre une méthylation de l’ADN associée à une baisse de concentration de la SAM dans les cellules cancéreuses. Ces altérations sont dues soit à un déséquilibre alimentaire, soit à une variation d’allèle dans les gènes. La méthylation de trois gènes, effectuée sur 233 individus atteints de cancer, montre une corrélation positive parmi les allèles C677T du MTHFR et 2756G de la méthionine synthétase [27]. Le rôle de ces enzymes sur la progression des tumeurs et la possibilité de constituer des cibles à visée thérapeutique restent à déterminer. Le pool constitué du 5,10-méthylèneTHF et de ses précurseurs joue un rôle important dans la biosynthèse des purines et des pyrimidines. Ce pool augmente après une perte d’activité de la MTHFR [28]. Dans les cancers à développement rapide, qui ont de fortes demandes de synthèse d’ADN, dont

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les cancers colorectaux et les leucémies, l’insuffisance en folates de l’organisme favorise le développement de la maladie [29]. Le rôle des enzymes métabolisant le folate dans l’étiologie des cancers n’est pas encore très clair. Une meilleure compréhension du statut des thiols et son rapport avec les risques de cancer pourraient, chez les individus à haut risque, suggérer de nouvelles initiatives, dont l’administration de folate lors d’une chimio-prévention.

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Importance du glutathion dans les maladies humaines

Le glutathion (GSH) est un composé hydrosoluble constitué de trois acides aminés : glutamine, cystéine et glycine. Il est largement distribué dans les plantes, chez les mammifères, dans les moisissures et chez quelques procaryotes [1]. Dans la cellule animale, il est le thiol le plus répandu, agissant comme co-facteur de plusieurs enzymes cytoplasmiques. Il existe sous forme oxydée (GSSG) ou réduite (GSH) et le rapport GSH/GSSG est vital pour la cellule. Sa synthèse est nécessaire au maintien d’un environnement cellulaire réduit et la perte de GSH de l’organisme exposerait les cellules aux oxydants, en particulier l’oxygène réactif, ROS (reactive oxygen species). Un déséquilibre de l’expression du GSH et des enzymes associées constituerait un danger pour l’homme, le rendant sensible à de nombreuses pathologies, dont les cancers, les désordres neurodégénératifs, la mucoviscidose, le VIH ou le vieillissement [2]. La cystéine du glutathion est un thiol qui agit comme nucléophile dans les réactions avec des électrophiles exogènes et endogènes. C’est un agent de réduction qui fait du GSH le thiol intracellulaire le plus abondant, pouvant atteindre dans certains tissus des concentrations de l’ordre du millimolaire. Il agit dans la désintoxication de plusieurs composés électrophiles et via la catalyse par les glutathion S-transférases (GST) et les glutathion peroxydases (GPx) ; il joue le rôle d’anti-oxydant des peroxydes. Il est également actif dans la réduction des ribonucléotides en désoxyribonucléotides, dans l’expression des protéines et des gènes via des réactions d’échange thiol-disulfide ainsi que dans d’autres réactions cellulaires, dont le système glyoxalase [3]. Synthèse du glutathion La synthèse de novo du GSH se fait à partir des trois acides aminés qui le constituent. Elle nécessite l’action consécutive de deux enzymes, la

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Acides gras, acides aminés et peptides

γ-glutamylcystéine synthétase (γ-GCS) et la GSH synthétase (Figure 1) [1]. L’expression de la γ-GCS est induite en réponse aux divers stimulus de la cellule. C’est un hétérodimère composé d’une sous-unité de 73 kDa, la γ-GCS-HS, et d’une sous-unité plus légère de 30 kDa, la γ-GCS-LS. Le site de fixation du facteur de transcription, AP-1, est important dans la constitution de la sous-unité γ-GCS-HS.

Figure 1. Homéostasie intracellulaire du glutathion, synthèse et récupération de novo. La synthèse du glutathion nécessite l’action consécutive de deux enzymes, la γ-glutamylcystéine synthétase (γ-GCS) et la GSH synthétase. Un contrôle étroit du rapport GSH/GSSG est entretenu par la glutathion réductase.

La synthèse du GSH dépend de la biodisponibilité de la cystine, forme oxydée de la cystéine. La cystine est transportée dans la cellule via des transporteurs qui sont soit sodium-dépendants, soit sodium-indépendants. L’incorporation de la cystine et l’augmentation concomitante de l’expression de la γ-GCS sont favorisées par les composés électrophiles et par les oxydants, dont l’hyperoxyde (H2O2). Le promoteur de la γ-GCS contient deux éléments, un

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élément sensible aux anti-oxydants, un autre aux électrophiles. Les modifications de la γ-GCS, en particulier la phosphorylation, conduisent à l’inhibition de la synthèse du GSH qui contrôle aussi l’activité de la γ-GCS. Le cycle redox du GSH La formation excessive de ROS, tels que les peroxydes (H2O2) et les . anions superoxydes (O2-) est toxique pour la cellule qui, pour se défendre, métabolise et élimine ces agents. Cette fonction est dévolue à la GSH peroxydase (GPx) de concert avec la catalase et la superoxyde dismutase (SOD). La GPx induite par le stress oxydatif est une protéine de 80 kDa, composée de quatre sous-unités identiques. Les mammifères ont cinq isozymes, dont certains isoformes, malgré leur expression ubiquitaire, sont spécifiques de tissus (Tableau I). L’inhibition de l’expression des GPx favorise le développement d’un grand nombre de pathologies dont l’hépatite, le VIH, les cancers de la peau, des reins, de l’intestin et du sein. Tableau I. Variations des allèles du GPx et distribution dans les tissus correspondants. Les mammifères ont cinq isozymes dont certains isoformes peuvent être malgré leur expression ubiquitaire, spécifiques des tissus (adapté de [30]). Allèle Distribution dans les organes GPX1 GPX2 GPX3 GPX4 GPX5

Érythrocytes, reins, foie Appareil gastro-intestinal Reins Ubiquitaire, élevé dans les épithéliums rénaux et les testicules Ubiquitaire

La désintoxication des cellules des peroxydes dépend, dans une réaction de réduction, de l’activité des GPx et du GSH, qui agit comme donneur d’électron pour former le GSSG. La GSH réductase (GR), membre de la famille des flavoprotéines-disulfide-oxydoréductases, réduit à son tour le GSSG, par une réaction qui nécessite de la NADPH. Dans des conditions de stress oxydatif, le contrôle de la GR se fait au niveau de la transcription. Les changements d’expression et d’activité de la GR ont été également impliqués dans les cancers et dans le vieillissement [3]. L’équilibre redox et la glutathionylation La formation de ROS peut être directement ou indirectement un sousproduit de plusieurs substances ou médicaments. L’adriamycine par exemple

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Acides gras, acides aminés et peptides

(médicament anticancéreux majeur), constituée de groupes quinones, est une source importante de la formation de ROS. En relation avec les mécanismes de contrôle des groupements thiols et donc du GSH, ROS agit sur la prolifération cellulaire. L’état redox de la cellule a un effet de signalisation sur les systèmes en amont et sur les facteurs de transcription en aval. Les mécanismes de signalisation (dont plusieurs kinases), stimulés par les oxydants, peuvent inhiber les facteurs nucléaires de transcription AP-1 et NFκ-B alors que les substances réductrices ont des effets contraires activant AP-1 et NFκ-B [4]. Dans les réactions d’échange thiol-disulfide, les cystéines réactives constituent des cibles dans un grand nombre de protéines. La glutathionylation, liaison entre le tripeptide du GSH et l’accepteur cystéine, est fonction de l’état redox, agissant sur la charge et la structure tridimensionnelle des protéines. En masquant le groupe thiol, la protéine forme davantage de liaisons disulfure et acquiert une structure fonctionnelle active (Figure 2). La glutathionylation associée aux cystéines réactives modifie, dans certains cas, l’activité biologique de la cellule (Tableau II). Les changements de rapport GSH/GSSG, en faveur du pool oxydé, peuvent agir directement sur la signalisation. La glutathionylation de la cystéine du site de fixation du c-jun de l’ADN, induit la formation d’une liaison disulfure entre les cystéines et la leucine, avec pour conséquence le contrôle direct et réversible de la transcription des kinases [5]. En aval, le facteur de transcription Nrf2, régulateur des enzymes de détoxification de phase II (dont les GST), est contrôlé par la protéine ARE (anti-

Figure 2. La glutathionylation, liaison entre le tripeptide du GSH et l’accepteur cystéine est fonction de l’état redox. En masquant le groupe thiol, la protéine forme davantage de liaisons disulfure et acquiert une structure fonctionnelle active.

Importance du glutathion dans les maladies humaines

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Tableau II. Protéines pouvant être glutathionylées. La glutathionylation associée aux cystéines réactives modifie, dans certains cas, l’activité biologique de la cellule (adapté de [31]). Actine Vimentine Myosine Tropomyosine Cofiline Profiline Pyruvate kinaseglycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénase Énolase Aldolase Adénylate kinase Phosphoglycérate kinase 6-Phosphogluconolactonase Ubiquitine enzyme conjuguée Triose phosphate isomérase Pyrophosphatase Thiorédoxine Isomérase protéine disulfide Cytochrome c oxydase Peroxyrédoxine 1 Cyclophiline HSP60 HSP70 Nucléophosmine Transgéline Galectine Acides gras fixant les protéines

oxidant response element). En l’absence de stress oxydatif, la protéine de régulation, Keap1, maintient le Nrf2 au repos. En revanche, au cours du stress oxydatif par ROS, l’oxydation des résidus cystéines de Keap1 altère sa structure et libère le facteur de transcription Nrf2, qui se localise de nouveau dans le noyau de la cellule et active la transcription des gènes ARE. Le GSH contrôle aussi la PKC (protéine kinase C), isozyme cellulaire qui possède des résidus cystéine à proximité du site actif. Ce contrôle disparaît lorsque le pool de GSH est épuisé par la présence de ROS [6]. L’adjonction de précurseurs du GSH stimule son pool intracellulaire et bloque, par des agents méthylants, l’activité de JNK (jun N-terminal protein kinases) [7]. De la même manière, la fonction p53, sensible à l’état redox, peut, dans des conditions de stress oxydatif, influencer le devenir de la cellule.

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Acides gras, acides aminés et peptides

Les anti-oxydants, qui comportent dans leur structure un ou des groupes thiols, induisent l’apoptose des cellules transformées, mais pas des cellules normales [8]. Les concentrations de GSH et des antigènes cellulaires sont influencées par la production des interleukines, IL-12, IL-4, IL-10, de l’interféron, de la réponse à l’hypersensibilité retardée (Th1) ou de la régulation de certains anticorps (Th2) [6]. Les individus contaminés par le VIH, et à qui on a administré de la N-acétylcystéine, manifestent des temps de survie plus longs que ceux qui ne sont pas traités. Ainsi, la concentration de GSH dans les cellules et la réponse Th2, élément important de la réaction immunitaire, sont des éléments importants dans l’évolution du Sida [9]. La relation entre JNK et la réaction immunitaire/myéloproliférative intervient au niveau du récepteur des cellules T. Elle initie la prolifération des cellules Th, la différenciation ou l’apoptose. En absence de JNK1, les cellules T de souris knock-out se différencient préférentiellement en cellules Th2 et évoluent vers la mort cellulaire [10]. D’autres protéines, dont les thiorédoxines, riches en thiols, jouent aussi un rôle dans la régulation cellulaire. Les thiorédoxines appartiennent à une famille active de protéine redox d’environ 12 kDa. Les résidus cystéine disponibles dans la protéine monomérique sont médiatrices de nombreuses fonctions cytoplasmiques. La thiorédoxine possède une fonction redox essentielle à la croissance et la dimérisation de certains sites atténue ces fonctions redox-dépendantes [11]. La thiorédoxine inhibe l’activité d’une kinase qui contrôle l’apoptose, ASK1 (apoptosis signal-regulating kinase). Cette inhibition est atténuée par ROS qui dimérise la thiorédoxine. Des cellules tumorales transfectées par la thiorédoxine acquièrent une croissance accrue et une sensibilité réduite aux inducteurs de l’apoptose. La thiorédoxine peut aussi subir une glutathionylation réversible du site, située sur le résidu Cys-72. Cette glutathionylation supprime l’activité enzymatique de la thiorédoxine qui peut être récupérée spontanément après une déglutathionylation. Ces observations impliquent un rôle d’équilibre entre thiols et disulfides dans le contrôle de la prolifération, de la thiorédoxine et de l’homéostasie du GSH. Les modifications du rapport GSH/GSSG et de l’équilibre redox, par ROS, peuvent provoquer, sur des résidus cystéine-spécifiques, des réactions d’échange des disulfides. La conversion du monomère en dimères (ou multimères) des GST induit la dissociation du JNK et l’activation d’une cascade de kinases (Figure 3).

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Figure 3. Les modifications par ROS du rapport GSH/GSSG, et de l’équilibre redox, provoquent des réactions d’échange des disulfides sur des résidus cystéine spécifiques. La conversion du monomère en dimères (ou multimères) des GST induit la dissociation du JNK et l’activation d’une cascade de kinases.

Pathologies associées à l’hétérogénéité des enzymes métabolisant le GSH Polymorphisme de GCS Plusieurs maladies, dont les cancers, le Sida, les maladies respiratoires ou la maladie de Parkinson, se caractérisent par la réduction des concentrations de GSH des cellules et du plasma. La réduction de ces concentrations, contrôlée

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Acides gras, acides aminés et peptides

par le polymorphisme des gènes, peut contribuer à l’étiologie de ces maladies. Parmi le polymorphisme du gène GCS, celui du GCS-HS, placé sur le chromosome 1, contient sept exons et six introns. Trois allèles de cette sous-unité diffèrent par le nombre de trinucléotides répétés, GAG, dans les régions 5’ codantes et non-codantes (Tableau III). Malgré le lien entre certaines maladies et les altérations de l’activité GCS, la contribution de ces allèles aux pathologies associées à l’homéostasie du GSH n’est pas encore établie. Tableau III. Variations des allèles du γ-GCS dues à la redondance du trinucléotide GAG (adapté de [32]). Allèle

Nombre de GAG répétés

Fréquence (%)

9 8 7

35 11 54

γ-GCS*A1 γ-GCS*A2 γ-GCS*A3

Sur des souris knock-out, incapables de former le GCS-HS, bien que la mutation soit létale, les cellules isolées à partir des mutants ont été cultivées en présence de GSH ou de N-acétyl cystéine (NAC) [12]. Par ailleurs, les individus qui souffrent d’anémie hémolytique ont une activité réduite de GCS et une mutation AT sur le nucléotide 1109, responsable de la substitution de l’histidine par la leucine sur l’acide aminé 370. D’autres altérations au niveau de l’intron (+206) et au niveau de la région non traduite 3’ (répétition de CGC) ont été observées. Une délétion au niveau de la région du gène GCS, situé sur le chromosome 1, aboutit à la carence en GCS et contribue au phénotype malin du mésothéliome. Glutathion S-transférases Les glutathion S-transférases (GST), co-développées avec le GSH, sont abondantes dans la plupart des formes de vie. Elles appartiennent à une famille d’enzymes de désintoxication de phase II. Les GST catalysent la conjugaison entre le GSH et une large variété de composés électrophiliques endogènes et exogènes (Figure 1). Les GST humaines sont représentées par deux familles distinctes : les GST des microsomes, liées à la membrane, et la famille des GST cytosoliques. Les GST microsomales jouent un rôle clé dans le métabolisme endogène des leucotriènes et des prostaglandines [12]. Les GST cytosoliques sont divisées en 6 classes : alpha (α), mu (µ), oméga (ω), pi (π), théta (θ) et zéta (ζ) (Tableau IV). Les GST sont induites par des composés structurellement

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Tableau IV. Les GST cytosoliques. Classe

Gène

Localisation au niveau des chromosomes

Alpha (α)

GSTA1-2

6

Mu (µ)

GSTM1-5

1

Omega (ω)

GSTO1

10

Pi (π)

GSTP1

11

Theta (θ)

GST1-2

22

Zeta (ζ)

GSTZ1

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différents capables de provoquer un stress chimique [13]. Certains inducteurs des GST sont des substrats de l’enzyme et de nombreux médicaments utilisés en clinique. Il n’est donc pas surprenant que les GST soient responsables du développement de la résistance aux médicaments anticancéreux, aux insecticides, aux herbicides et aux antibiotiques microbiens [14]. Hormis la fonction de transférase, les GST jouent un rôle dans l’équilibre entre la survie de la cellule et l’apoptose, en formant des interactions avec les protéines qui activent la mitose, MAP (mitogen activated protein). La conséquence d’une interaction directe entre les GST et les MAP-kinases, dont JNK1 et ASK1, est d’isoler le ligand dans un complexe pour l’empêcher d’interagir avec les cibles en aval. De nombreuses substances anticancéreuses, en particulier celles qui impliquent JNK et p38, induisent l’apoptose via l’activation des kinases MAP. Ce rôle non-enzymatique des GST a un intérêt direct sur la surexpression des phénotypes des tumeurs résistantes aux médicaments anticancéreux. Au cours du traitement, la surexpression des GST par les médicaments modifie l’équilibre des kinases. Ce processus peut fournir une explication de la résistance à certains médicaments, qui ne sont pas les substrats de ces enzymes et qui pourtant induisent la surexpression de GST. Polymorphisme des GST Les polymorphismes identifiés dans chacune des classes de GST et les hétérogénéités peuvent contribuer aux variations des maladies ou des réponses cliniques [15]. Les individus qui ont des classes µ et θ de GST ont des phénotypes nuls (GSTM*0 et GSTT*0). Ils n’expriment pas de protéines catalytiques actives, sont incapables de désintoxiquer les cancérigènes et ont donc un risque accru de cancers. Le phénotype GSTT*0 varie entre les différents

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groupes ethniques ; il est plus élevé chez les Chinois (65 %) et plus faible dans les populations américano-mexicaines (9 %). Il est associé au risque accru de cancers de la tête et du cou, de la cavité buccale, du pharynx et du larynx. La classe µ des GST est constituée de cinq gènes (de GSTM1 à GSTM5) localisés dans un groupe de gènes sur le chromosome 1. GSTM1, le plus largement étudié, contient quatre allèles (Tableau IV). L’allèle GSTM1*0, retrouvé dans 50 % de la population caucasienne, est associé a un risque accru de cancer du poumon, du côlon et de la vessie. De plus, il représente un facteur de risque pour l’amiante pulmonaire. En revanche, l’allèle GSTM1*A a été associé à un faible risque de cancer de la vessie et a une fréquence d’allèle de 20 %. Tableau V. Polymorphisme du GSTM1. Allèle

Fréquence chez Risques de cancer les Caucasiens

M1*A

0,2

Diminution du risque des cancers de la vessie et du sein

M1*B

0,2

Diminution du risque des adénomes pituitaires

M1*0

0,59

Augmentation du risque des cancers du poumon, de la vessie, du côlon et du cancer du sein post-ménopause

Les maladies neurodégénératives, comme la maladie de Parkinson et la schizophrénie, sont caractérisées par une dégénérescence des neurones dopaminergiques. L’allèle du gène GSTM2-2 peut jouer un rôle protecteur des maladies neurodégénératives en catalysant la conjugaison du GSH à l’aminochrome. Un gène simple, placé sur le chromosome 11, code pour les GSTP1, GST de la classe π. Les polymorphismes du locus GSTP1 résultent de quatre allèles, de GSTP1*A à GSTP1*D, qui diffèrent structurellement et fonctionnellement. GSTP1*A joue un rôle dans l’acquisition de la résistance au cisplatine et augmente la capacité de la cellule à former le complexe platine-glutathion. GSTP1*B est un allèle dans lequel la substitution d’un seul nucléotide (A->G) en position 313 réduit considérablement l’activité catalytique. GSTP1*B a une plus faible capacité à désintoxiquer le platine, caractère favorable dans le traitement des malades atteints de cancer. L’allèle GSTP1*C, ou son variant, prédomine dans des cellules de gliome malin. Il diffère des autres variants du GSTP1 par deux transitions aboutissant à Ile104Val et Ala113Val. Aucune propriété fonctionnelle principale n’a encore été assignée à ce polymorphisme.

Importance du glutathion dans les maladies humaines

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Maladies associées à l’altération du métabolisme du glutathion Défauts des enzymes du cycle γ-glutamyl Parmi les défauts héréditaires des enzymes principales, quatre interviennent à travers le cycle de la γ-glutamyl, dans le métabolisme du glutathion [16]. Parmi les variants polymorphes des γ-GCS associés à des maladies spécifiques, le syndrome le plus répandu est l’anémie hémolytique, avec ou sans hépato-splénomégalie. Les défauts génétiques de la glutathion synthétase sont autosomiques récessifs. Ils conduisent à une déficience intellectuelle et à un dysfonctionnement neuropsychiatrique chez environ 50 % des patients. Cette déficience est souvent accompagnée d’anémie hémolytique, d’acidose métabolique et d’un excès, dans le sang des patients, de 5-oxoproline, intermédiaire du cycle de la γ-glutamyl. Lorsque la carence en glutathion synthétase est limitée aux érythrocytes, l’anémie hémolytique n’est pas accompagnée d’oxoprolinurie généralisée. La glutathionémie (excès de GSH dans le sang) se manifeste par une forte expression de γ-glutamyl-transpeptidase qui conduit au déséquilibre de l’homéostasie de l’acide glutamique. Bien que la maladie soit caractérisée par une déficience intellectuelle, et classée comme maladie héréditaire du catabolisme de l’acide dicarboxylique, le mode de transmission directe de cette anomalie n’est pas encore élucidé. La maladie de Parkinson Malgré les concentrations élevées de GSH dans le cerveau (de l’ordre du millimolaire), celui-ci reste l’organe le plus sensible aux dégâts causés par le stress oxydatif [17]. Les maladies neurodégénératives, dont la maladie de Parkinson (MP), sont associées au stress oxydatif et aux altérations de l’homéostasie du glutathion. La maladie de Parkinson, caractérisée par une détérioration des fonctions motrices et cognitives, affecte près de 1 % des individus au-dessus de 65 ans [18]. La cause sous-jacente de la maladie serait due à un manque de dopamine, conséquence de la destruction des neurones dopaminergiques dans la substantia nigra des pars compacta (SNpc) de la région du diencéphale. La progression de la maladie est associée à un épuisement de la concentration de GSH et à l’augmentation de ROS dans les SNpc [19]. Dans ces cas, la restauration des concentrations de GSH peut en principe interrompre la progression de la maladie. L’administration de GSH réduit peut améliorer l’état des patients souffrant de cette maladie [20]. Dans la prévention des individus à haut risque, il reste encore à établir le rôle des agents réducteurs qui traversent la barrière hémato-encéphalique dans les traitements systémiques prolongés.

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Acides gras, acides aminés et peptides

VIH La caractéristique du VIH/Sida est le dysfonctionnement du système immunitaire associé aux faibles concentrations de GSH. Chez les individus qui souffrent du Sida ou qui sont infectés de manière asymptomatique par le VIH, les concentrations de glutathion sont épuisées dans le plasma, les cellules mononucléées et les monocytes. Cette déficience en GSH active le facteur nucléaire NF-κB et conduit en aval à des signaux de transduction qui sollicitent l’expression du VIH. La baisse de GSH est un facteur qui contribue à l’induction de l’apoptose des lymphocytes T CD4+ dont la déplétion accompagne la progression du VIH [9]. L’administration de N-acétylcystéine (NAC) rétablit les niveaux de GSH et empêche l’activation de NF-κB et la reproduction du VIH. Cependant, le traitement par NAC a un effet bénéfique sur les individus infectés par le VIH sans que des changements de concentration de GSH n’aient pu être observés dans les lymphocytes [21]. Après l’administration de NAC par voie orale pendant 8 semaines, les concentrations de GSH dans le plasma d’individus infectés par le VIH augmentent de 89 % par rapport aux individus témoins non infectés [22]. Par ailleurs, après administration d’un supplément nutritionnel contenant des protéines de petit-lait riche en cystéine, les concentrations de GSH du plasma augmentent à court terme [23]. En conclusion, un supplément d’acides aminés, précurseurs de GSH, associé à d’autres protocoles diététiques peut être un additif avantageux. GSH et maladies du foie Dans le foie, le contenu intracellulaire de GSH est associé aux fonctions de désintoxication de cet organe. La consommation régulière de précurseurs – acides aminés soufrés – maintiendra le niveau de GSH des cellules hépatiques entre 5 et 10 mM. Les perturbations de synthèse et du métabolisme du glutathion sont dues soit à une altération directe du foie, soit à une maladie qui affecte la fonction hépatique. Le pool de GSH mitochondrial, réduit chez les alcooliques, a pour conséquence une augmentation des dommages causés par ROS, contribuant à l’apparition de cirrhose et à la mort cellulaire. La réduction du niveau de GSH mitochondriale implique l’inactivation d’une protéine spécifique du transport membranaire. Une exposition prolongée à l’alcool provoque l’altération physico-chimique de la partie interne de la membrane mitochondriale avec pour conséquence un défaut de transport du GSH cytosolique aux mitochondries [24]. La baisse sélective du GSH dans les mitochondries sensibilise les hépatocytes aux effets oxydatifs des cytokines, en particulier à celui du TNF, facteur de nécrose des tumeurs (tumor necrosis factor). Les individus qui souffrent d’hépatite C chronique ou d’une

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infection concomitante par le VIH ont des concentrations très faibles de GSH dans le foie, le plasma et les cellules mononucléées du sang périphérique. Mucoviscidose La mucoviscidose est un désordre génétique qui affecte les poumons d’environ 250 000 enfants par an à travers le monde. Elle est due à l’altération du gène CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator), canal d’efflux d’anions qui maintient l’homéostasie cellulaire des ions, dont ceux du sodium et du chlorure mais aussi du GSH. La mutation récessive rend ce canal non fonctionnel ou absent. Les concentrations de GSH dans les cellules épithéliales de la paroi pulmonaire, ELF (epithelial lining fluid), sont 150 fois plus élevées que celles que l’on trouve dans les autres tissus. Le rôle du GSH est essentiellement celui d’un anti-oxydant, protégeant le tissu pulmonaire des toxines inhalées. La déficience en GSH augmente avec le temps, le stress oxydatif et la concentration élevée de NF-κB. Ce dernier participe au contrôle des cytokines de l’inflammation responsables des dommages causés à la membrane et à l’ADN des cellules de patients qui souffrent de mucoviscidose [25]. La formation importante des sous-produits de la peroxydation lipidique, ainsi que les changements d’expression des GST et plus spécifiquement du GSTM, indiquent l’influence de ROS sur ces malades. GSTM1 est un régulateur négatif d’ASK1, une kinase impliquée dans la voie de l’apoptose ayant une activité de désintoxication des hydroperoxydes. Les individus ayant un phénotype nul pour GSTM1 (GSTM*0) et souffrant de mucoviscidose, ont un pronostic plus mauvais que ceux qui ont des allèles GSTM1 [26]. Les individus qui souffrent de mucoviscidose ont également une faible réaction immunitaire, conséquence de l’apoptose prématurée des macrophages et des neutrophiles du poumon, attribuée à une chute de GSH [25]. Le traitement de la mucoviscidose est fondé sur la reconstitution de concentrations plus importantes de GSH dans les cellules épithéliales de la paroi pulmonaire (ELF). À l’heure actuelle, pour supplémenter en GSH, trois stratégies sont proposées, par voie intraveineuse, orale ou par inhalation. Le mode d’administration par inhalation semble être la voie la plus prometteuse pour des raisons de stabilité et d’incorporation du GSH. Des résultats récents portant sur sept malades atteints de mucoviscidose, traités par 600 mg de GSH en aérosol, administrés deux fois par jour pendant 3 jours, ont montré une augmentation appréciable des niveaux de GSH. Ces résultats devraient fournir une amorce pour de futurs essais cliniques [27]. Dans d’autres maladies, dont la maladie de Parkinson, caractérisée elle aussi par un épuisement de GSH, la supplémentation en cystéine a également été préconisée.

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Glutathion et vieillissement La relation négative entre les radicaux libres et la longévité a été largement décrite. On aurait pu supposer que la sélection naturelle fournirait une force d’adaptation contre les stress oxydatifs. Or, il semble que ce sont surtout les systèmes de désintoxication de ROS qui ont été sélectivement avantagés. Au cours de la pré-puberté, la conséquence des maladies est une réponse à une réaction inflammatoire protectrice qui résulte de la production de ROS, et la survie pour atteindre l’âge de reproduction. Cependant, au cours des étapes avancées de la vie, des dommages inévitables, collatéraux et cumulatifs peuvent influencer défavorablement l’organisme. Le type et les systèmes de protection varient avec les tissus et les organismes. Dans le sang ou les tissus, de nombreuses substances contribuent à la protection contre les attaques de ROS ; le GSH, l’ascorbate ou l’urate évacuent les radicaux hydrosolubles, alors que les tocophérols, les flavonoïdes, les caroténoïdes ou l’ubiquinol évacuent les radicaux liposolubles. D’autres systèmes, dont la superoxyde dismutase (SOD), la catalase, la glutathion peroxydase et certaines glutathion S-transférases ont une fonction enzymatique pour évacuer les radicaux libres. Des petites molécules, riches en thiols, dont la thiorédoxine et les métallothionéines ont aussi une activité anti-oxydante et des enzymes telles que la thiorédoxine-réductase, la glutathion réductase, la déshydroascorbate réductase et le système glyoxalase dont les rôles d’anti-oxydants sont le maintien des molécules à l’état réduit. Enfin, les compléments d’enzymes, dont la glucose-6-phosphate déshydrogénase, responsable en partie des concentrations de NADPH, servent à maintenir un environnement cellulaire réduit. L’induction des protéines oxydées ou glyquées en fonction de l’âge est en relation avec la diminution du rapport GSH/GSSG. L’aconitase III, enzyme qui participe au cycle de l’acide citrique et qui possède un site actif fer-soufre, sen. sible à l’inactivation par le radical superoxyde (O2-), est inactivée par oxydation. Une autre enzyme, l’anhydrase carbonique III, possède deux sulfhydryles réactifs et est soumise en présence de H2O2, de radicaux peroxy ou d’acide hypochlorique (HOCl), à la transformation en cystéine, acide sulfinique ou acide cystéique. Ces réactions sont inhibées par le GSH, conséquence de la glutathionylation des résidus cystéine. La cause du vieillissement de la cellule et sa sénescence a été attribuée à l’induction des dommages causés par ROS à la membrane cellulaire. Dans ce contexte, la toxicité par l’oxygène peut être promue par des métaux (tel que le fer et/ou le cuivre) qui catalysent le clivage des groupes ROOH. Cette réaction de Fenton produit des radicaux hydroxyles (OH.) capables d’extraire des protons pour initier des réactions de peroxydation lipidique. Chez les individus sains, l’activité catalytique de ces métaux est contrôlée par des protéines telles que la ferritine et la transferrine.

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Chez les femmes ménopausées, le contenu en fer de l’organisme augmente avec l’âge. Cette augmentation peut promouvoir des dégâts au cours du processus du vieillissement, de même que les dégâts causés par la peroxydation lipidique à la membrane peuvent être déterminants au début du vieillissement. La relation entre la peroxydation lipidique et le vieillissement est fournie par des observations chez la drosophile. Le mutant issu de la perturbation du gène de la glutathion S-transférase microsomale (mGST), a une durée de vie significativement plus réduite comparée aux témoins. Une des propriétés caractéristiques du mGST est son efficacité dans la désintoxication de la peroxydation lipidique, particulièrement dans les compartiments de la membrane des cellules. Une étude effectuée sur le plasma humain d’une population âgée de 19 à 85 ans montre un rapport cystéine/cystine linéaire tout au long de la vie. En revanche, aucune altération de l’équilibre redox GSH/GSSG n’a été observée jusqu’à l’âge de 45 ans, après quoi l’oxydation augmente de manière linéaire [28]. La relation entre le vieillissement et les faibles concentrations de GSH ou avec un rapport GSH/GSSG bas semble établie. En revanche, on connaît moins bien la raison des changements du contenu en GSH avec l’âge. L’expression de la γ-glutamylcystéine (GCS) peut être un facteur qui contribue à la faible concentration de GSH. La théorie des radicaux libres dans le vieillissement a aussi été suggérée dans des maladies de vieillissement accélérées, comme la trisomie 21, le syndrome de Werner, et la progeria (syndrome d’Hutchinson-Gilford). Dans chaque cas, une durée de vie significativement raccourcie est accompagnée par l’augmentation du stress oxydatif et l’altération de l’équilibre redox des cellules de l’hôte [29]. La production de Th1 et de Th2, et la réaction immunitaire sont aussi sous l’influence des conditions redox. Une modification de cet équilibre, conséquence d’une baisse de GSH, peut influencer la réaction immunitaire comme le montre l’espérance de vie plus longue des souris thiorédoxine transgéniques par rapport à celle des souris de type sauvage. De plus, les macrophages péritonéaux des souris thiorédoxine transgéniques ont un rapport GSH/GSSG plus élevé et une production de cytokines différente, comparés aux animaux de type sauvage de même âge [30]. Un grand nombre de compléments alimentaires font état d’un enrichissement en anti-oxydants et en substances anti-radicaux libres. Ces revendications peuvent-elles avoir de la valeur dans la prévention du vieillissement et des maladies associées à l’âge ? En l’absence d’études cliniques rigoureuses (et menées de long terme), il est difficile de répondre à cette question. L’inclusion de GSH dans des compléments alimentaires en vente libre n’a qu’une valeur limitée, car l’état réduit du GSH une fois exposé aux conditions atmosphériques normales et à la température ambiante ne sera pas conservé. Le

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produit proposé fournira, à la limite, une provision d’acides aminés constitutifs, où la cystéine sera peut-être particulièrement utile dans la stimulation de la synthèse gastro-intestinale du GSH. Il existe suffisamment de données qui montrent que les composés qui contiennent des thiols peuvent protéger des individus contre une exposition aiguë au stress oxydatif ou au stress électrophilique (comme, par exemple, la N-acétyl cystéine lors d’une surexposition au paracétamol). Il est généralement admis que les cellules préfèrent un environnement moyennement réduit et il n’existerait pas d’objection à complémenter un régime avec des réducteurs équivalents. Cependant, si cela prétend être un élixir de longévité, il est évident que cette question litigieuse ne peut recevoir de réponse précise. Abréviations JNK1 : ASK1 : GSH : GSSG : GST : ARE : MAP : γ-GCS : NAC : SNpc :

c-jun kinase 1 N-terminale apoptose signal-régulant la kinase glutathion réduit glutathion oxydé glutathion-S-transférase antioxidant response element protéine activant la mitose γ-glutamyl cystéine synthétase N-acétyl cystéine substantia nigra des pars compacta

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Les acides gras poly-insaturés (AGPI) et les eicosanoïdes

Les graisses animales, substances solides, se caractérisent par un taux élevé de glycérides d’acides gras saturés, alors que celles des plantes et des poissons ont tendance à être liquides et sont surtout constituées d’esters d’acides gras insaturés (Figure 1). Les acides gras poly-insaturés (AGPI) sont issus de plusieurs voies biosynthétiques mais, dans la plupart des organismes, ils le sont par désaturation des acides alcanoïques correspondants. La plupart des organismes eucaryotes possèdent une ∆9-désaturase qui insère une double liaison en cis dans l’acide gras saturé. Chez l’animal, l’acide linoléique issu de l’alimentation végétale est désaturé vers le groupe carboxyle pour aboutir au γ-linoléate. Les AGPI sont représentés par deux grandes familles d’acides gras essentiels (AGE) qui s’opposent par leur action ; les (n-6) acide arachidonique (AA) et les (n-3) pentaène (acide eicosapentaénoïque : AEP). L’acide linoléique issu de l’alimentation est dans les tissus, précurseur de l’acide arachidonique, alors que l’acide α-linolénique, issu également de l’alimentation, est précurseur de l’AEP et de l’hexaène, acide docosahexaénoïque (ADH) (Figure 2). Ces acides gras, dits ω, ont tous des doubles liaisons au troisième carbone de l’extrémité méthyle de la chaîne. En intervenant dans la synthèse de l’acide arachidonique (AA), l’acide linoléique et γ-linolénique de plantes, sont indispensables au métabolisme de l’organisme. Une carence en AA ou en composés pouvant être transformés en AA pourrait compromettre la synthèse des prostaglandines (PG). Les prostaglandines sont distribuées dans tous les tissus de mammifères, à de très faibles concentrations. Elles ont été isolées en premier lieu dans le sperme humain et animal, d’ou il a été supposé qu’elles étaient sécrétées par la prostate. Les PG sont synthétisées à partir des acides γ-linolénique, arachidonique et eicosapentaénoïque (Figure 2). Certaines structures élaborées à partir de l’acide arachidonique par une enzyme, la cyclo-oxygénase (COX), sont transformées en PGG2. Le peroxyde acyclique du PGG2 peut être clivé

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Figure 1. Distribution, activation et inhibition des cyclo-oxygénases (COX).

par une peroxydase pour former du PGH2 qui joue un rôle central mais qui peut être modifiée, soit par suppression d’atomes d’hydrogènes pour former la PGF2, soit, après saisie et perte d’atome d’hydrogène, former la PGE2 ou la PGD2 (Figure 3). La PGE2, de par son action sur la contraction et la relaxation des muscles lisses de l’utérus, a été particulièrement utilisée en obstétrique pour provoquer les avortements au cours des étapes précoces de la grossesse ou pour induire les contractions au terme de la grossesse. Elle active aussi le facteur de croissance épidermique (EGF) [1]. La PGE1, en revanche, possède des propriétés vasodilatatrices et est utilisée pour faciliter l’oxygénation du sang, avant une intervention chirurgicale corrective chez les nouveau-nés qui souffrent d’un défaut cardiaque congénital. Elle est aussi utilisée dans le traitement de l’impuissance masculine en favorisant l’érection du pénis. La PGI2 réduit les concentrations de calcium et est donc utilisée pour abaisser la tension artérielle. Elle inhibe la sécrétion gastrique et aussi l’agrégation des plaquettes sanguines, ce qui justifie son utilisation pour inhiber la coagulation sanguine au cours de la dialyse rénale. La première étape de la biosynthèse des prostaglandines est la transformation des acides gras insaturés en peroxydes cycliques. Cette étape est inhibée par certains anti-inflammatoires non-stéroïdiens (AINS), dont l’aspirine, l’indométacine ou l’ibuprofène. L’aspirine inhibe l’activité de la cyclooxygénase de manière irréversible, mais n’inactive pas celle de la peroxydase, tandis que l’ibuprofène et l’indométacine entrent en compétition sur le site actif de l’acide arachidonique et sont des inhibiteurs réversibles des

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Figure 2. Développement des thromboxanes, leucotriènes et prostaglandines à partir des acides dihomo-γ-linolénique, arachidonique (AA) et eicosapentaénoïque (AEP).

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Figure 3. Développement des prostaglandines représentatives de la série 2 à partir de l’acide arachidonique. Dans une première réaction, l’acide arachidonique (AA) est transformé en prostaglandine (PGG2) par l’enzyme cyclo-oxygénase (COX) qui incorpore deux molécules d’oxygène. Le groupement peroxyde acyclique du PGG2 est alors clivé par une peroxydase pour produire la PGH2 qui peut être modifiée soit par ablation d’un atome d’hydrogène pour aboutir à la PGF2α, soit par la prise et la perte d’atomes d’hydrogènes pour fournir de la PGE2 ou de la PGD2.

cyclo-oxygénases. La dégradation des prostaglandines intervient par différents mécanismes dont l’oxydation du 15-hydroxyl en cétone, réduction de la double liaison 13,14 et dégradation oxydative des deux extrémités de la chaîne. La cyclo-oxygénase (COX), connue aussi sous le nom de prostaglandine endoperoxyde synthase (PGHS) ou prostaglandine G/H synthase, est une enzyme-clé, fixée sur la membrane et responsable de l’oxydation et de la transformation de l’acide arachidonique en prostaglandines. Il existe deux isoformes de COX, COX-1 et COX-2, qui forment le PGH2, précurseur commun dans la catalyse des premières étapes de transformation de l’AA en prostanoïdes, thromboxane A2 (TxA2), en prostacycline (PGI2) et en prostaglandines (PGD2, PGE2, PGF2). COX-1, constitutive, est exprimée dans la plupart des tissus et cellules de l’organisme. Elle contrôle la synthèse des

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prostaglandines impliquées principalement dans le contrôle des fonctions homéostatiques. Ces fonctions sont importantes dans l’intégrité gastro-intestinale et l’homéostasie vasculaire ; elles sont constantes aussi bien dans des conditions physiologiques que pathologiques. En revanche, le gène de COX-2 code pour une protéine de 71 kDa normalement absente dans la plupart des cellules. Elle est cependant fortement inductible dans certaines cellules, en réponse aux stimulus de l’inflammation, responsable de la diffusion importante des prostaglandines, intermédiaires de la douleur et de l’inflammation (Tableau I). COX-2 est particulièrement exprimée dans les cancers épithéliaux, dont ceux de l’estomac [2], de l’œsophage [3], du poumon [4], du sein [6] et colorectal [5] alors qu’elle est absente dans les tissus sains adjacents de l’intestin. COX-2 est aussi induite par les promoteurs de tumeur, les cytokines, les facteurs de croissance et par l’hypoxie [7, 8]. Elle perturbe le niveau intracellulaire d’acide arachidonique libre et affecte par conséquent les fonctions cellulaires [9]. COX-1, en revanche, est présente dans les tissus aussi bien normaux que cancéreux [10]. L’oxydation de AA par COX engendre des substances oxydatives et accroît l’état oxydatif global de la cellule [10]. Tableau I. Structure chimique des principaux acides gras saturés et insaturés. Acides gras non saturés 18:1 (11c) Acide oléique : CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 18:2 (9c, 12c) Acide linoléique : CH3(CH2)4CH=CHCH 2CH=CH(CH2)7COOH 18:3 (9c, 12c, 5c) Acide α-linolénique : CH3(CH2)CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CH(CH2)7COOH 18:3 (6c, 9c, 12c) Acide α-linolénique : CH3(CH2)4CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CH(CH2)4COOH 20:4 (5c, 8c, 11c, 14c) Acide arachidonique (AA) : 20:5 (5c, 8c, 11c, 14c, 17c) Acide eicosapentaénoïque (AEP) CH3CH2CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CH(CH2)3COOH 22:6 (4c, 7c, 10c, 13c, 16c, 19c) Docosahexaénoïque (ADH) CH3(CH2)CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CHCH 2CH=CH(CH2)2COOH Acides gras saturés 14 :0 Acide myristique CH3(CH2)12COOH 16 :0 Acide palmitique CH3(CH2)14COOH 18 :0 Acide stéarique CH3(CH2)16COOH

Les sites actifs de COX-1 et COX-2 ne diffèrent que par une substitution valine/isoleucine sur deux positions. Une nouvelle catégorie de médicaments qui inhibent spécifiquement l’activité de COX-2, mais pas celle de COX-1, a

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été ainsi obtenue. Alors que l’activité anti-inflammatoire des corticostéroïdes est associée à l’inhibition du largage de l’acide arachidonique à partir des phospholipides stockés, les glucocorticoïdes sont, en revanche, associés à l’inhibition de l’expression de COX-2 (Tableau I). L’inhibition de COX-2 fournit une activité anti-inflammatoire, tandis que celle du COX-1, constitutive et antithrombine, est responsable des effets gastriques et rénaux secondaires [11-13]. La synthèse des thromboxanes passe par la voie des prostaglandines (Figure 4). À l’origine, les prostaglandines sont isolées des plaquettes sanguines où l’agrégation est provoquée par TXA2 qui possède un effet contraire à PGI2. Ces deux composés sont issus du même précurseur, PGH2 qui, dans les plaquettes sanguines, est transformé en TXA2 et en PGI2 dans les parois des vaisseaux sanguins. Le développement de la thrombose reflète donc un déséquilibre entre ces deux activités. TXA3 et TXB3 dérivent de l’AEP et sont structurellement analogues aux prostaglandines dans les trois séries.

Figure 4. Formation des thromboxanes. Les cycles peroxydes et cyclopentanes du PGH2 sont clivés et restructurés pour former le thromboxane A2 (TXA2), hautement instable, et qui réagit en milieu aqueux pour former le TXB2.

Les leucotriènes (LT) sont aussi synthétisés à partir de l’acide arachidonique, le site de l’oxygénation étant le C-5 plutôt que le C-11 comme pour la voie des prostaglandines (Figure 5). Isolés des leucocytes, les leucotriènes sont impliqués dans les réponses allergiques et les processus inflammatoires. Certains composés tels que l’histamine ou les substances anaphylactiques à réactions lentes (SARL), mélange de LTC4, LTD4 et LTE4, sont des médiateurs des réactions allergiques (le rhume des foins et l’asthme). La fonction des leucotriènes disparaît après dégradation de la chaîne peptidique. Le LTB4

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Figure 5. Développement des leucotriènes à partir de l’acide arachidonique. LTA4 est développé à partir de l’AA. Le point d’oxydation pour la transformation du LTA4 est le C5 plutôt que le C11 comme dans la voie métabolique des prostaglandines. LTA4 est instable et se transforme par hydrolyse en LTB4 ou bien alors, en présence d’un atome de soufre du glutathion (GSH), il formera LTC4. L’hydrolyse partielle du glutathion aboutit aux LTD4 et LTE4.

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facilite la migration des leucocytes au cours de l’inflammation. Il est impliqué dans le psoriasis, l’arthrite et l’inflammation intestinale. Les antagonistes des récepteurs de LTD4 sont préconisés comme médicaments dans la prophylaxie de l’asthme et certains inhibiteurs de LTC4 et LTB4 sont à l’heure actuelle en cours d’expérimentation clinique. Les effets protecteurs des AGPI, oméga 3 (ω-3) et des eicosanoïdes Les acides gras ω-3 sont indispensables à la composition normale des lipides cérébraux, du sperme, de la rétine et de la maturation optimale de la fonction visuelle et corticale des enfants prématurés [14]. Les anomalies de la fonction cérébrale sont, en général, associées à une carence en ADH. Les n-3 acides gras stimulent la croissance et ont un effet protecteur dans le développement des maladies cardiovasculaires, des symptômes inflammatoires (arthrite rhumatoïde et rectocolite hémorragique) [15], du psoriasis [16] et des maladies aiguës. L’AA et l’AEP se transforment dans l’organisme en prostaglandines et en leucotriènes par, respectivement, les cyclo-oxygénases et la 5-lipo-oxygénase : 5-LO. L’AA dérive des eicosanoïdes et a, en général, une activité proinflammatoire, tandis que l’AEP manifeste au contraire une activité antiinflammatoire. Cette dernière activité est associée à la baisse de leucotriènes B4, substances responsables de l’inflammation et des plaquettes, qui – sous l’action des cytokines – active les facteurs d’activation des plaquettes (PAF, platelet activating factor). Puisque l’AA et l’AEP ont des activités anti-inflammatoires contraires, il paraît donc nécessaire de déterminer le rapport entre les différents acides gras n-6 et n-3 et ne plus se fonder sur la seule concentration de chacun des AGPI. Parmi les maladies inflammatoires de l’intestin, la rectocolite hémorragique et la maladie de Crohn sont les plus courantes. La consommation d’une alimentation riche en AGPI n-6 réduit la concentration d’AGPI n-3 et contribue au développement de cette rectocolite hémorragique [16]. En revanche, la consommation d’une alimentation riche en AGPI n-3, même dans le cas de régimes faibles en matières grasses, améliore les dommages provoqués par la rectocolite hémorragique [41]. Par ailleurs, la polyarthrite rhumatoïde, due en partie à la prolifération des cellules T et à la production des cytokines pro-inflammatoires qui s’ensuit, peut être limitée par la consommation d’une alimentation riche en AGPI n-3. La production d’IL-2 peut être contrôlée par la présence d’AGPI n-3 dans les cellules T purifiées et stimulées par α-CD3/α-CD28, ainsi que dans les cellules Jurkatt stimulées avec PMA/ionomycine/α-CD28 [17]. En réponse à un stimulus par l’endotoxine, la consommation d’AEP réduit la production d’interleukine-1 (IL-1) ainsi que celle du facteur de nécrose des tumeurs (TNFα).

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Effets protecteurs des AGPI dans les maladies cardiovasculaires Les produits alimentaires riches en ω-3 AGPI et plus particulièrement en AEP et en ADH sont cardio-protecteurs. Ces substances réduisent la tension artérielle et parent au développement de l’hypertension, facteur important de l’athérosclérose [18-20]. Bien que ces mécanismes protecteurs ne soient pas clairs, il a été suggéré qu’ils agiraient par l’inhibition de l’activité des ∆5 et ∆-6 désaturases. Celles-ci transforment les acides gras 20 :3 (n-6) en 20 :4 (n-6) et les 18 :2 (n-6) en 18 :3 (n-6). La conversion des acides gras 18 :2 (n-6) en 18 :3 (n-6) est une étape limitative dans la biosynthèse du 20 :3 (n-6) à partir du 18 :2 (n-6). L’inhibition de l’activité de la désaturase ∆-5 par l’AEP et l’ADH réduit le taux du 20 :4 (n-6), précurseur de la synthèse du thromboxane A2 (qui favorise l’agrégation des plaquettes sanguines) et augmente le taux du 20 :3 (n-6), précurseur de la prostaglandine E1 (vasodilatateur) [21]. En augmentant l’acide γ-linolénique (18 :3 n-6) dans le régime alimentaire, Il est possible de contourner l’étape enzymatique ; celui-ci est rapidement transformé en 20 :3 (n-6), précurseur de prostaglandine E1, vasodilatateur et anti-agrégation, La cardioprotection par les AGPI est aussi obtenue par des mécanismes qui inhibent l’accumulation des plaquettes sanguines [22]. Les acides gras (n-3) inhibent la biosynthèse du thromboxane A2, vasoconstricteur. Par ailleurs, la diminution du 20 :4 (n-6) des lipides des plaquettes sanguines peut réduire la synthèse du thromboxane A2, la sensibilité des plaquettes sanguines et atténuer les risques de maladies cardiovasculaires. Les effets importants des AGPI portent aussi sur la diminution de la concentration des triglycérides plasmatiques, de la tendance à la coagulation sanguine, de l’arythmie cardiaque et de la « mort subite ». L’administration d’AEP et de DHA à doses élevées (3 à 4 g/jour) réduisent le taux de triglycérides plasmatiques chez les patients qui souffrent d’hypertriglycéridémie [23]. L’acide α-linolénique peut aussi réduire, chez les femmes, le risque d’infarctus du myocarde et de l’ischémie fatale du cœur [24]. À l’opposé, les acides gras non saturés trans, que l’on trouve dans les produits alimentaires industrialisés contenant des huiles végétales partiellement hydrogénées, peuvent accroître le taux de cholestérol-LDL et réduire celui du cholestérol-HDL [25]. La fibrillation ventriculaire (FV) responsable de l’arythmie fatale la plus courante, et de la maladie des artères coronaires, est causée par des perturbations de la stabilité électrique du cœur. L’arythmie cardiaque a lieu, dans la plupart des cas, sans symptômes apparents, au cours de la première phase de l’ischémie, potentiellement réversible et après une reperfusion. Le risque d’arythmie ventriculaire induite par ischémie est directement proportionnel à l’équilibre entre TXA2 et PGI2 (prostacycline). PGI2 réduit la tension artérielle et inhibe l’accumulation des plaquettes sanguines en diminuant les

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concentrations de calcium. La réduction du risque de FV serait due au faible rapport AA/AEP et une augmentation des TXA3 et PGI3 aux dépens des TXA2 et PGI2. Les mécanismes par lesquels les AGPI (n-3), AEP et DHA rivalisent avec l’acide arachidonique incluent l’inhibition de l’activité de la (n-6) désaturase et, par conséquent, l’inhibition de la biosynthèse de l’acide arachidonique et sa réduction du plasma et des cellules. L’AEP concurrence l’AA en tant que substrat de la cyclo-oxygénase, inhibant la production de TXA2 par les plaquettes sanguines. De plus, la PGI3, synthétisée à partir de l’AEP dans les cellules endothéliales, ajoute de la PGI2. L’anti-arythmie cardiaque des AGPI (n-3) est indépendante de la vulnérabilité à l’athérosclérose, exclusivement due à son effet sur les membranes du myocarde. Cependant, les acides gras hautement poly-insaturés sont vulnérables à l’oxydation et donc susceptibles d’augmenter le risque de la maladie cardiovasculaire. Il est donc paradoxal que les AGPI jouent un rôle dans la prévention. La prévention de l’arythmie cardiaque par les AGPI (n-3) est probablement due à l’interaction de plusieurs mécanismes, dont une action directe sur les propriétés électrophysiologiques des myocytes plutôt que par incorporation des AGPI n-3 [26]. Par ailleurs, le traitement par l’ouabaïne, glycoside arythmogène des myocytes cardiaques de rat, montre que la FV est inhibée par ajout au milieu de culture des l’AGPI n-3. Effets protecteurs des AGPI dans les cancers Les prostaglandines ont de multiples effets qui favorisent la tumorigenèse. Elles sont plus abondantes dans les tissus cancéreux que dans des tissus normaux [27]. L’acide linoléique (AL), précurseur de l’acide arachidonique dans les tissus, augmente, chez le rat, la taille et le nombre des tumeurs, tandis que les AEP et DHA les diminuent [28]. La prévention des métastases et les rechutes des cancers mammaires par les acides gras (n-3) utilisés en thérapie adjuvante sont probablement associées au rapport n-6/n-3 inférieur à 2 :1. En revanche, dans les tissus mammaires, un faible taux d’acide α-linolénique, précurseur d’AEP et de DHA, est associé à un risque accru de cancer du sein [29]. Chez les patients qui souffrent de cancer de la prostate, la consommation de poisson est inversement proportionnelle au développement de ce cancer [30]. Dans la grande majorité des adénocarcinomes du côlon, les concentrations de COX-2 sont 2 à 50 fois plus élevées que dans les muqueuses intestinales normales adjacentes, alors que les concentrations de COX-1 restent inchangées [31, 32]. Bien que le mécanisme d’action des AGPI soit toujours peu clair, l’identification d’une enzyme qui catalyse l’oxydation des acides gras ouvre un nouveau champ d’investigation dans la transformation de

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cellules normales en cellules cancéreuses. Au cours des différents stades de la cancérogenèse, COX-2 peut être un composant qui limiterait le développement de la néoplasie [33, 34]. Cette enzyme participe à la carcinogenèse du côlon, en particulier lorsque la mutation de l’APC (adenomatous polyposis coli), gène de suppression de la tumeur, est l’événement initiateur [35]. Plusieurs mutations sont responsables des protéines APC défectueuses, toutes celles qui portent les gènes défectueux développeront un cancer colorectal [36]. Par ailleurs, aussi bien les cancers du sein que les modèles animaux indiquent que la régulation positive de COX-2 et les concentrations élevées de PGE2 sont impliquées dans la cancérogenèse du sein ; leur inhibition par les AINS réduit l’incidence sur ce cancer [6, 37]. Il existe aussi une relation entre l’expression de COX-2, la taille des tumeurs et leur propension à envahir des tissus sous-jacents [38]. De plus, la régulation négative de l’expression de COX-2 par l’ADH induit aussi l’apoptose [39]. L’inhibition de COX-2 a été mise en évidence dans le cas des polyposes adénomateuses familiales [40]. L’inhibition de l’activité de COX-2 réduit la production des eicosanoïdes et protège les modèles animaux contre le cancer du poumon. De plus, l’administration de faibles doses d’aspirine (81 mg) inhibe les cyclo-oxygénases, réduisent les concentrations de PGE2 et protégent les individus contre le cancer colorectal [41]. Dans d’autres types de cancers, dont le cancer des os, les AINS sont capables de soulager la douleur intense, symptôme primaire, qui intervient surtout la nuit. Cet effet est associé à une forte expression de la PGE2 et de la PGI2 et à une forte coloration immunohistochimique de COX-2. En conclusion La consommation d’aliments riches en AGPI n-3, en particulier AEP et DHA, et l’inhibition de COX-2 par les AINS, jouent un rôle dans la protection contre les maladies cardiovasculaires et les cancers humains.

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