INTRODUCTION GÉNÉRALE
PARTIE 3: MALADIES CARDIOVASCULAIRES ET DIABÈTE DE TYPE 2: CONSÉQUENCES DU
3.6. Pathogenèse de la dysfonction endothéliale
De nombreux mécanismes sont impliqués dans la pathogenèse de la dysfonction endothéliale. La réduction de la biodisponibilité du NO joue un rôle majeur et peut résulter
d’une diminution de la production de NO et/ou une augmentation de la production d’EROs
(Deanfield, Halcox, et Rabelink, 2007). De plus, la diminution de la biodisponibilité d’autres facteurs vasorelaxants ou l’augmentation de la production et de l’activité de facteurs vasocontractants sont aussi impliqués (Deanfield, Halcox, et Rabelink, 2007).
Tous les composants du syndrome métabolique peuvent, individuellement, altérer la fonction endothéliale tels que l’hypertension (Panza et al. 1990; Benjamin et al. 2004) et le diabète de type 2 (Williams et al. 1996). L’hyperglycémie transitoire et chronique altère aussi négativement la fonction endothéliale (Mah et al. 2011), ainsi que l’obésité viscérale est aussi associée avec la dysfonction endothéliale (Brook et al. 2001; Perticone et al. 2001; Arcaro et al. 1999). De manière intéressante, plus le nombre de composants associés au syndrome métabolique est élevé chez une personne, plus sa dysfonction endothéliale est importante (Hamburg et al. 2008; Lind, 2008).
3.7. Rôle des facteurs de risques cardiovasculaires dans la pathogenèse du
syndrome métabolique 3.7.1. Rôle de l’obésité
Les sujets obèses et notamment ceux présentant une obésité viscérale présentent un risque élevé de développer des pathologies cardiovasculaires (Pouliot et al. 1992; Lemieux et al. 2001; Pascot et al. 2001). En effet, l’accumulation de tissu adipeux entraîne la mise en place de processus inflammatoires dépendants de la production de cytokines tels les facteurs de nécrose tumorale, l’interleukine-6, l’inhibiteur de l’activateur du plasminogène et la leptine. De nombreuses études ont montré le rôle délétère de ces cytokines sur les cellules endothéliales au travers d’une augmentation de la production d’anion superoxyde (Yang et al. 2007; Loehr et al. 2015). Parallèlement, ce stress oxydant induit l’expression de cytokines inflammatoires (True, Rahman, et Malik, 2000; Wang et al. 2014). Par exemple, le facteur de nécrose tumorale
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active le facteur de transcription nucléaire κB qui induit l’expression l’expression de la NOS inductible (iNOS) (Jang et al. 2004) participant ainsi à l’établissement d’un stress nitrooxydant (Katsuyama et al. 1998; Taylor et al. 1998). Il est intéressant de constater qu’une perte de poids
s’accompagne d’une diminution du niveau de cytokines inflammatoires circulantes ainsi que
d’une amélioration de la réponse à la L-arginine.
En contraste avec l’augmentation de la plupart des adipokines observées en parallèle de l’augmentation de la masse adipeuse viscérale, les taux circulants d’adiponectine sont réduits (Arita et al. 1999; Hotta et al. 2001). Des études menées chez l’animal ont mis en évidence que l’adiponectine permettait d’améliorer la fontion endothéliale chez des souris obèses hypertendues (Ohashi et al. 2006). Cette amélioration de la fonction endothéliale passerait par un effet au niveau de la synthèse de NO (Chen et al. 2003; Grossini et al. 2016).
3.7.2. Rôle de l’insulino-résistance
Un grand nombre d’études se sont intéressées à la relation qui peut exister entre l’insuline et la voie de synthèse du NO. En effet, l’insuline permet de phosphoryler l’eNOS, l’enzyme responsable de la production de NO au niveau des cellules endothéliales, sur son site activateur (e.g. sérine 1177). Il a été démontré que chez des individus sains, l’insuline induit de façon dose dépendante, une vasodilatation des artères. La fixation de l’insuline sur son récepteur aboutit à son autophosphorylation sur des résidus « tyrosines » et active la voie PI3K-Akt avec, au préalable, une activation d’un substrat appelé IRS. En condition d’hyperinsulinémie, des résidus sérines, présents au niveau du recepteur sont phosphorylés de manière plus importante que les résidus « tyrosines » aboutissant à une diminution de la force de la voie PI3K-Akt (Qiao et al. 1999). Ainsi, il a été constaté dans un cadre d’insulino-résistance, une diminution de la
biodisponibilité du NO et une augmentation de la production d’EROs (Duncan et al. 2008;
Zecchin et al. 2007).
3.7.3. Rôle de l’hyperglycémie
L’hyperglycémie est à l’origine de la production d’EROs par deux sources principales: la NADPH oxydase et la mitochondrie par la chaîne de transfert des électrons.
En réponse à des concentrations élevées de glucose, la NADPH oxydase est activée par l’intermédiaire de la protéine kinase C.
Au niveau de la mitochondrie, en condition physiologique, le transfert d’électrons s’effectue le long de la chaîne de transport des électrons aboutissant à la production d’adénosine triphosphate. En condition d’hyperglycémie, le niveau de pyruvate issu de la glycolyse
Partie 3: Maladies cardiovasculaires et diabète de type 2: conséquences du stress oxydant et de la dysfoncion endothéliale
augmente, créant ainsi une élévation du flux des donneurs d’électrons (NADH et FADH) au sein de la chaine de transport d’éléctrons (Norhammar et al. 2002). Cela a pour conséquence une augmentation du gradient au travers de la membrane mitochondriale (Brownlee, 2001) jusqu’à un seuil critique où le transfert d’électrons au complexe III est bloqué (Trumpower, 1990) avec, pour conséquence, la génération d’anions superoxydes. Il a été montré qu’une normalisation de la production d’EROs mitochondriales permettait de prévenir la majorité des altérations vasculaires induite par l’hyperglycémie maintenant ainsi une fonction endothéliale normale (Nishikawa et al. 2000; Suzuki et al. 2011).
D’autre part, les glucides sont capables de réagir avec les protéines par des processus de glycosylation et de glycation lorsque leurs concentrations sont élevées. Ainsi, l’hyperglycémie peut diminuer la synthèse de NO par un processus de O-glycosylation de l’eNOS inhibant son activité (Du et al. 2001) mais aussi inactiver le NO (Bucala, Tracey, et Cerami, 1991).
3.7.4. Rôle de la dyslipidémie
La dyslipidémie est le facteur déterminant du développement de l’athérosclérose et plus particulièrement le niveau de lipoprotéines de faible densité (LDL) par rapport aux lipoprotéines de forte densité (HDL) ainsi que le ratio LDL:HDL. Il est reconnu qu’une augmentation du niveau de LDL augmente le risque de maladies cardiovasculaires.
En condition pahologique, les LDL peuvent être oxydés formant ainsi des LDLox qui ont la capacité de diminuer la relaxation endothélium-dépendante (Andrews et al. 1987; Wang et
al. 2011) via une diminution de la biodisponibilité du NO (Chin, Azhar, et Hoffman, 1992;
Vergnani et al. 2000) mais également via une diminution de l’expression de l’eNOS (Liao et al. 1995; Chen, Mehta, et Mehta, 1996; Dong et al. 2009). Cet effet des LDLox sur la fonction vasculaire s’accompagne d’une augmentation de la production d’EROs (Ohara, Peterson, et Harrison, 1993; Pritchard et al. 1995).
3.7.5. Rôle de l’hypertension
L’augmentation de la pression artérielle peut se faire par trois systèmes distincts: le système rénine-angiotensine, la glutathionylation de l’eNOS et les prostanoïdes.
L’angiotensine II est le résultat de la conversion de l’angiotensine I par l’enzyme de conversion (ACE). L’inhibtion de l’ACE ou du récepteur à l’angiotensine II permettent d’améliorer la relaxation endothélium-dépendante à la fois dans des modèles expérimentaux (Onaka et al. 1998; Goto et al. 2000; De Gennaro et al. 2005) et humains (Creager et Roddy
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1994; Schiffrin et al. 2000; Ghiadoni et al. 2003). L’inhibition de l’angiotensine II ou de son récepteur améliore la relaxation endothélium-dépendante et régule l’activité de la NADPH oxydase (Griendling et al. 1994; Mollnau et al. 2002) modulant ainsi la production d’EROs (De Batista et al. 2014; Nakashima et al. 2015; Tsai et al. 2016). Ainsi, l’activation de la NADPH oxydase aboutit à une diminution de la relaxation endothélium-dépendante (Galougahi et al. 2014) due à une inactivation du NO mais également à un découplage structurale de l’eNOS par oxydation du BH4 (Mollnau et al. 2002; Landmesser et al. 2003).
Un autre mécanisme impliqué dans les altérations de la fonction vasculaire par l’hypertension est la glutathionylation de l’eNOS dans un modèle de rats hypertendus (Chen et al. 2010).
Enfin, la dysfonction endothélium-dépendante observée chez des sujets hypertendus est résorbée par l’addition d’indométacine, un inhibiteur des cyclooxygénases. Des observations similaires ont été effectuées chez des modèles expérimentaux d’hypertension (Lüscher et Vanhoutte 1986).
3.8. Les NOS et le NO: éléments clés de la dysfonction endothéliale 3.8.1. Synthèse de NO par les NOS
Le NO est produit principalement produite de façon enzymatique par une famille de trois NO-synthétases (NOS): la NOS neuronale (nNOS), exprimée au niveau des neurones et jouant un rôle dans la régulation de la pression sanguine centrale (Togashi et al. 1992); l’iNOS et l’eNOS, exprimée au niveau des cellules endothéliales. Contrairement aux NOS neuronales et endothéliales qui sont exprimées de manière constitutive, l’iNOS est exprimée de manière inductible par les macrophages, suite à un stress inflammatoire ou oxydatif, est constamment active et n’est peu ou pas régulée (Kleinert, Schwarz, et Förstermann, 2003).
Les trois isoformes fonctionnent à l’état d’homodimère. Chaque monomère contient un domaine oxygénase en partie N-terminal et un domaine réductase en partie C-terminale. Le domaine oxygénase possède des sites de liaison pour le FAD, le FMN et le NADPH et est liée, par un site de reconnaissance à la calmoduline, au domaine réductase qui, lui, possède des sites de liaison pour l’hème, la tétrahydrobioptérine, et la L-arginine.
Dans une NO-synthétase fonctionnelle, les électrons sont donnés par le NADPH au domaine réductase et sont transférés à travers le FAD et le FMN vers le groupement hème du dimère opposé. À cet endroit, en présence de L-arginine et du cofacteur BH4, les électrons vont
Partie 3: Maladies cardiovasculaires et diabète de type 2: conséquences du stress oxydant et de la dysfoncion endothéliale
permettre la réduction de l’oxygène et la formation de NO et de L-citrulline (Alderton, Cooper, et Knowles, 2001; Förstermann et Sessa, 2012). De ce fait, la biodisponibilité des substrats (L-arginine et O2) et du cofacteur BH4 sont des éléments important de l’activité de l’enzyme. Le BH4 joue également un rôle critique dans le couplage de l’activité enzymatique en se fixant à l’interface des deux monomères où il est directement impliqué dans le processus d’oxydation en fournissant temporairement un électron à l’hème. Ainsi, en cas d’absence de BH4, la liaison entre l’O2 et l’hème est rompue et l’eNOS produit alors l’anion superoxyde (O2
-). On parle alors de « découplage de l’eNOS » (Figure 6-).
Figure 6. Schéma du fonctionnement de la NO-synthétase fonctionnelle et découplée.
3.8.2. Régulation de l’activité de l’eNOS
L’activité de l’eNOS est sous le contrôle de nombreux mécanismes qui font intervenir des processus d’interaction protéine-protéine (i.e. complexe Ca2+/calmoduline) et de phosphorylation.
L’eNOS est capable d’interagir avec la calmoduline, une protéine sensible à la concentration en calcium intracellulaire. L’activité inhibitrice exercée par la cavéoline, une protéine présente au niveau des invaginations de la membrane plasmique, est un mécanisme compétitif et inversé par la fixation de la calmoduline sur l’eNOS. L’augmentation de la concentration en calcium intracellulaire, en réponse à un agoniste (i.e. acétylcholine, bradykinine) conduit à la formation d’un complexe Ca2+/calmoduline augmentant l’affinité de la calmoduline pour l’eNOS. La fixation de ce complexe entraîne sa dissociation de la cavéoline
eNOS découplée HOOC COOH FAD FMN NADPH NADP++ H+ NH2 NH2 CaM e -e -NADPH NADP++ H+ FAD FMN CaM Heme-Fe Heme-Fe L-Arginine L-Arginine O2 O2 O2 °-O2 °-eNOS fonctionnelle HOOC COOH FAD FMN NADPH NADP++ H+ NH2 NH2 CaM e -e -NADPH NADP++ H+ FAD FMN CaM BH4 Heme-Fe BH4 Heme-Fe L-Arginine NO L-citrulline L-Arginine NO L-citrulline O2 O2
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(Michel et al. 1997), levant ainsi son inhibition. Cette calmoduline facilite également le flux d’électron du NADPH du domaine réductase vers l’hème du domaine oxygénase.
Les processus de (dé)phosphorylation sont également importants pour la régulation de son activité. En effet, l’eNOS contient de nombreux sites de phosphorylation qui sont des résidus « sérine », « thréonine » et « tyrosine » mais la majeure partie des connaissances actuelles portent sur le rôle fonctionnel de deux sites de phosphorylation: la sérine 1177 et la thréonine 495 (Figure 7).
La sérine 1177 n’est pas phosphorylée à l’état basal mais va être rapidement phosphorylée sous l’activation de stimuli activateurs tels le « Vascular Endothelial Growth Factor », l’insuline, la bradykinine, l’acétylcholine ou encore le shear stress. La kinase impliquée va dépendre de la nature du stimulus. Ainsi l’insuline, le VEGF et le shear stress induisent la phosphorylation de la sérine 1177 en stimulant la voie PI3K/Akt (Corson et al. 1996; Dimmeler et al. 1998, 1999). En revanche, la bradykinine et d’autres stimuli calciques vont induire l’activation de la protéine Ca2+/calmoduline-dépendante, à savoir la calmoduline kinase II. Ces diverses phosphorylations entraînent, néanmoins, un changement de conformation de l’eNOS, entraînant une augmentation du flux d’électrons à travers le domaine oxygénase de l’enzyme et, en conséquence, une augmentation de son activité.
La phosphorylation de la thréonine 495 est, quant à elle, constitutive et prévient l’interaction calmoduline/eNOS. L’activation calcique de l’eNOS est permise par une déphosphorlyation au préalable du site thréonine 495 par la phosphatase PP1 (Fleming, 2010) (Figure 7).
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Figure 7. Schéma des différents sites et influences de la phosphorylation sur l’activité de l’eNOS. Reproduit de Fleming, 2010. AMPK: Adénosine monophosphate protéine kinase; Akt: protéine kinase B; CaMKII:
Calmoduline kinase II; LDLox: Lipoprotéine de faible densité oxydée; O2-: anion superoxyde; PKA: protéine
kinase A; PKC: Protéine kinase C; Ser: Sérine; Thr: Thréonine; Tyr: Tyrosine; VEGF: Vascular Endothelial Growth Factor, facteur de croissance endothéliale vasculaire.
3.8.3. Régulation de la vasomotricité par le NO
Le NO, une fois produit par la cellule endothéliale, va diffuser dans la cellule musculaire lisse adjacente et activer une guanylate cyclase (GC). En se fixant sur cette guanylate cyclase, la guanosine triphosphate va être convertie en guanosine monophosphate cyclique (GMPc). Le GMPc ainsi produit va interagir avec des protéines cibles (i.e. canaux GMPc-dépendant) ou en activant des kinases spécifiques (i.e. PKA, PKG). Ces protéines kinases spécifiques sont responsables de la phosphorylation du phospholamban, levant ainsi son activité inhibitrice sur
les pompes Ca2+/ATPase du réticulum sarcoplasmique (SERCA). Il en résulte une
augmentation du repompage du calcium cytosolique vers le réticulum sarcoplasmique.
3.9. Les autres fonctions physiologiques de l’eNOS
Le NO contrôle l’expression de protéines impliquées dans l’athérogenèse comme la « monocyte chemoattractant protein-1 » et inhibe l’adhésion des leucocytes en interférant avec la capacité des récepteurs CD11/CD18 des leucocytes à se fixer sur la cellule endothéliale ou en réduisant leur expression (Kubes, Suzuki, et Granger, 1991; Arndt, Smith, et Granger, 1993; Zeiher et al. 1995). AMPK PKA Akt PKA PKA AMPK Akt PKC Src CaMKII PYK2 Ser 114 Ser 615 Ser 633 Tyr 81 Tyr 657 Thr 495 Activité Acétylcholine Estrogen VEGF Constitutive O2,-LDLox Constitutive VEGF Hypoxie Adiponectine Shear stress VEGF Bradykinine Shear stress Insuline Angiotensine II VEGF Insuline Oestrogène Shear stress Bradykinine [Ca2+]i Ser 1177
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Le NO possède également la capacité d’inhiber la synthèse d’ADN, la mitogenèse et la prolifération des cellules musculaire lisses (Garg et Hassid, 1989; Nakaki, Nakayama, et Kato, 1990; Nunokawa et Tanaka, 1992). Ces effets anti-proliférateurs sont médiés par la guanylate monophosphate cyclique (Southgate et Newby, 1990).
Le NO semble jouer un rôle critique dans l’angiogenèse post-natale en médiant des signaux en aval des facteurs angiogéniques. Des études ont mis en évidence, chez des souris déficientes en eNOS, un morphotype d’alvéoles capillaires proche de celui observé au cours d’une dysplasie chez les Hommes, une forme d’hypertension pulmonaire du nouveau-né qui présente un défaut de développement du réseau vasculaire et une détresse respiratoire (Han et Stewart, 2006). D’autres études ont mis en avant son rôle critique dans l’angiogenèse post-infarctus (Murohara et al. 1998).
3.10. Rôle des NOS dans la pathophysiologie
3.10.1. L’eNOS
Les personnes présentant des facteurs de risque cardiovasculaire comme l’hypertension, la dyslipidémie, l’insulino-résistance et l’obésité et ceux avec des maladies vasculaires sont atteints d’une dysfonction endothéliale, caractérisée par l’incapacité de l’endothélium à générer assez de NO pour induire une vasorelaxation et une augmentation du niveau d’EROs intracellulaire.
L’eNOS et le NO sont des senseurs intracellulaires de l’état redox de la cellule. De ce fait, en condition non-pathologique, où la production d’EROs est faible, le NO joue un rôle de tampon en se couplant à l’anion superoxyde O2-, formant ainsi l’anion peroxyde nitrite ONOO
-(Balligand, Feron, et Dessy, 2009). La production de NO étant plus importante que celle de l’ONOO-, cette association demeure sans conséquence pour la cellule.
En revanche, en condition pathologique, où la production d’EROs est importante et dépasse la production de NO, la eNOS est découplée (e.g. elle ne produira plus de NO). Ce processus, aujourd’hui bien décrit dans la littérature, est connu sous le nom de « découplage de l’eNOS ». Les mécanismes impliqués dans ce découplage incluent l’oxydation du cofacteur essentiel BH4, la réduction du niveau de L-arginine.
Bien que la formation de peroxyde nitrite soit un mécanisme de protection intracellulaire pour lutter contre le stress oxydant, l’ONOO- est néfaste à forte concentration. En effet, il peut oxyder les protéines, comme l’eNOS (Thomson et al. 1995; Herold, Exner, et Boccini, 2003;
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Boccini et Herold, 2004) et interagir avec les lipides de la membrane plasmique, entrainant ainsi leur peroxydation (Radi et al. 1991).
3.10.2. L’iNOS
La forte production de NO par les macrophages n’est pas seulement nocive pour les microbes et les parasites mais l’est également pour les cellules saines. In vivo, des dommages cellulaires et tissulaires peuvent être associés au NO ou à son interaction avec l’anion superoxyde menant à la formation de peroxyde nitrite. Ainsi, la grande majorité des lésions auto-immunes ou inflammatoires sont caractérisées par une abondance de macrophages et de neutrophiles et, du fait de la production accrue de NO, peuvent causer des dommages aux tissus environnants.
D’autre part, le stress oxydant, induit par le peroxyde nitrite, est capable d’induire l’expression de l’iNOS (Cooke et Davidge, 2002). En augmentant l’expression de l’iNOS, le peroxyde nitrite va permettre la production de grandes quantités de NO, lequel va être rapidement inactivé pour former, à nouveau, du peroxyde nitrite, entretenant ainsi la boucle de régulation positive du stress nitrooxydant (Beckman et Koppenol, 1996).
3.11. Interventions nutritionnelles et thérapeutiques: effet sur la dysfonction