Le cycle de la méthionine

Le métabolisme de la méthionine au sein de la cellule s’effectue par le cycle de la méthionine, qui est connecté à celui des folates. L’activité de ce cycle influence les réactions de méthylation cellulaire via la formation de la S-adénosylméthionine (SAM), donneur ubiquitaire de groupements méthyles (Mato et al., 1997). Dans la figure 1.7 nous décrivons les réactions principales, liées à ce métabolisme.

La transformation de la méthionine en homocystéine constitue le point central de ce cycle métabolique. L’enzyme méthionine synthase est activée grâce à son co-facteur, la cobalamine (ou vitamine B12), que nous avons utilisé tout au long de ce travail. Autour de cette enzyme se développent plusieurs voies. Les principales sont :

• Le cycle de la méthionine. Grâce à la SAM, il participe à des réactions de méthylation des différents substrats cellulaires, tels que l’ADN, les lipides et les protéines. Il s’agit de la voie dite de trans-méthylation.

• Le cycle des folates, qui régénère le tétrahydrofolate en méthyltétrahydrofolate, cosubstrat de la méthionine synthase.

• La voie dite de trans-sulfuration, qui amène l’homocystéine vers la voie de synthèse du glutathion.

Le métabolisme de l’homocystéine constitue une voie métabolique cellulaire assez complexe. Nous allons ici, développer brièvement certains des éléments, qui semblent nécessaires pour la compréhension des résultats de ce travail.

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Figure 1.7 : Métabolisme hépatique de la méthionine et des folates (Mato et al., 2008).

La S-adénosylméthionine (SAM) est générée à partir de la méthionine et de l'ATP dans une réaction catalysée par la méthionine adénosyltransférase (MAT, réaction 1). La SAM est le principal donneur de méthyle biologique et un précurseur pour la synthèse des polyamines. La Méthylthioadénosine (MTA) est un sous-produit de la synthèse des polyamines et peut être métabolisée pour régénérer la méthionine.

La SAM cède son groupe méthyle à une grande variété de molécules acceptrices dans des réactions catalysées par des méthyltransférases (réaction 2), les plus abondantes dans le foie étant la glycine N-méthyltransférase (GNMT), qui convertit la glycine en N-méthyl-glycine (sarcosine) et la Phosphatydyl-éthanolamine méthyl-transférase (PEMT) qui convertit la phosphatydyl-éthanolamine en phosphatydyl-choline.

La S-adénosylhomocystéine (SAH) est générée en tant que produit de déméthylation et est hydrolysée pour former l’homocystéine et l'adénosine par une réaction réversible catalysée par la SAH hydrolase (SAHH, réaction 3).

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L'homocystéine peut être reméthylée pour régénérer la méthionine grâce à deux enzymes: La méthyltétrahydrofolate-homocystéine méthyltransférase (MS, réaction 4, aussi appelé méthionine synthase), et la bétaïne-homocystéine méthyltransférase (BHMT, réaction 5).

Dans le foie, mais pas dans tous les tissus, l'homocystéine peut également subir la voie de trans-sulfuration pour former la cystéine par une réaction enzymatique en deux étapes, catalysée par la cystathionine synthase (CBS, réaction 6) et la cystathionase (réaction 7). La cystéine est finalement transformée en une variété de molécules soufrées telles que la taurine, le glutathion (GSH), et le sulfate.

Le tétrahydrofolate (THF) est généré en tant que produit de la MS (réaction 4) et est convertie en 5,10-méthylène-tétrahydrofolate (méthylène-THF) par l'enzyme méthylène-THF synthase (réaction 8) et ensuite en 5-méthyl-tétrahydrofolate (méthyl-THF) par l'enzyme méthyl-THF réductase (MTHFR, réaction 9).

En plus, le méthylène-THF peut être utilisé pour la synthèse de désoxythymidine monophosphate (dTMP) par l’enzyme thymidine synthase (TYMS, réaction 10). Le dihydrofolate (DHF), qui est généré en tant que produit de synthèse du dTMP, peut être converti en THF (réaction 11).

La choline oxydase (réaction 12) convertit la choline en bétaïne (triméthylglycine). La thiolactone synthase (réaction 13) catalyse la réaction de condensation intramoléculaire entre le thiol et l'acide carboxylique de l'homocystéine.

L'adénosine kinase (ADK, réaction 14) catalyse la synthèse de l'adénosine monophosphate (AMP), et l'adénosine désaminase (ADA, réaction 15) convertit l'adénosine en inosine.

La SAM, la SAH et le méthyl-THF exercent un contrôle étroit sur le métabolisme hépatique de la méthionine et de l'acide folique. La SAM est un activateur allostérique de la MAT, de la GNMT, et de la CBS (en vert) et est un inhibiteur allostérique de la MTHFR (en rouge). La SAH est un inhibiteur compétitif de nombreuses méthyltransférases SAM-dépendantes, et le méthyl-THF est un inhibiteur allostérique de la GNMT. (dcSAMe : SAM décarboxylée).

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2.1.1. Les enzymes impliquées

Les principales enzymes du cycle de la méthionine sont 1) la méthionine adénosyltransférase (MAT), 2) la S-adénosylhomocystéine hydrolase (SAHH), 3) la bétaïne-homocystéine méthyltransférase (BHMT), 4) la méthyltétrahydrofolate-homocystéine méthyltransférase ou méthionine synthase (MS) et 5) les méthyl-transférases (MT).

• La méthionine adénosyltransférase (MAT)

La méthionine adénosyltransférase (MAT) catalyse la réaction transformant la méthionine en S-adénosylméthionine (SAM). Cette enzyme est produite sous trois isoformes : MATI, MATIII codées par MAT1A et MATII codée par MAT2A. La MAT1A est exprimée exclusivement dans le foie alors que MAT2A est présente de manière ubiquitaire (Garcia-Tevijano et al., 2001 ; Avila et al., 2002). Un knock-out de Mat1a chez la souris, induit une augmentation de la méthionine et une diminution de SAM. (Mato et al., 2002 ; Lu et al., 2001 ; Mato, 2007). L’expression de MAT1A est diminuée chez les patients atteints d’hépatocarcinome (Avila et al., 2000).

• La S-adénosylhomocystéine hydrolase (SAHH)

La seule source d'homocystéine chez les mammifères provient de la S-adenosylhomocystéine hydrolase (SAHH), une enzyme ubiquitaire qui libère une molécule d'homocystéine et d'adénosine par molécule de SAH hydrolysée

• La bétaïne-homocystéine méthyltransférase (BHMT)

La méthionine est un acide aminé essentiel pour les mammifères. Cependant, elle peut être partiellement régénérée à partir de l’homocystéine par deux réactions différentes impliquant soit la méthionine synthase ou encore la bétaïne-homocystéine méthyltransférase (BHMT). La BHMT utilise la bétaïne comme donneur de méthyle pour la méthylation de l’homocystéine. Elle représente la voie alternative de la reméthylation de l’Homocystéine. La bétaïne est synthétisée à partir de la choline grâce à la choline déshydrogénase et libère de la méthylglycine. Elle est spécifique des cellules hépatiques de tous les mammifères et des reins de primates contrairement à la méthionine synthase qui est présente dans tous les tissus de mammifères (Finkelstein et al., 1982). Cette voie est limitée au foie et au rein et elle est absente dans le cerveau, le pancréas, les muscles squelettiques, le poumon, le placenta et le cœur (Sunden et al., 1997). Elle permet de

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maintenir la concentration tissulaire en méthionine à un niveau suffisant pour assurer la synthèse de SAM en cas de carence en folate.

Il a été montré que, bien que la BHMT soit une enzyme hépatique, elle n’est pas exprimée chez les cellules HepG2 d’hépatocarcinome humain et par conséquence la protéine y est absente ou non fonctionnelle (Pellanda et al., 2012).

• La méthionine synthase (MS)

La méthionine synthase (MS) est une méthyltransférase qui catalyse le transfert de groupements méthyles du N5-méthylTHF sur le groupement thiol de l’Homocystéine pour former la méthionine. Cette enzyme existe dans tous les organismes cellulaires, mais chez les procaryotes, la MS est cobalamine indépendante. Chez les eucaryotes, en revanche, la MS

requiert pour son activité, un cofacteur enzymatique, la méthylcobalamine (MeCbl), forme active de la vitamine B12. Le zinc est également son cofacteur. Son expression varie selon les tissus (Chen et al., 1997 ; Li et al., 1996). La réaction comporte deux étapes formant un mécanisme séquentiel ordonné. Le groupement méthyle est transféré du N5-méthylTHF à la Cob(I)alamine pour former la méthylcob(III)alamine. Le groupement méthyle est alors transféré à l’Homocystéine pour former la méthionine. Cette réaction est complexe car la Cob(I)alamine peut facilement être oxydée en Cob(II)alamine qui est une forme inactive. Cependant la Cob(II)alamine peut être réduite et méthylée par la SAM en méthylcob(III)alamine grâce à la méthionine synthase réductase (MSR).

Un défaut dans l'activité de la MS peut conduire, selon la gravité, à une anémie mégaloblastique, associée à une hyperhomocystéinémie modérée. La MS joue aussi un rôle dans la tumorogenèse (Chen et al., 1997).

• Les méthyl-transférases (MT)

-DNMT (ADN méthyltransférases)

Les ADN méthyltransférases sont des enzymes, qui catalysent le transfert des groupements méthyles fournis par la S-adénosylméthionine, vers les molécules d’ADN. La méthylation de l’ADN est un phénomène épigénétique. Ainsi, la SAM méthyle les résidus d’ADN en position 5' du noyau pyrimidique (Worm et al., 2002). Chez les mammifères, Il existe

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deux types de méthylation : méthylation de maintenance et méthylation de novo réalisées par trois classes générales d’enzymes.