Production et détoxification d’espèces réactives de l’oxygène

Les espèces réactives de l’oxygène correspondent à toutes les espèces chimiques dans lesquelles un atome d’oxygène possède un électron de valence non apparié. La génération des espèces réactives de l’oxygène est assurée par trois sources principales dans la cellule : la chaine de transport électronique, le complexe NADPH oxydase membranaire NOX et le réticulum endoplasmique (122). L’anion

superoxyde O2^- est l’ion principalement produit mais est rapidement transformé soit en peroxyde d’hydrogène soit en peroxynitrite par réaction avec l’oxyde nitrique. Le peroxyde d’hydrogène peut ensuite être transformé en eau et dioxygène par la catalase, les glutathion peroxydases ou les peroxyredoxines (123). L’autre issue possible, moins favorable car plus délétère pour la cellule, est la conversion de l’H2O2 en ion hydroxyle en présence d’ion ferreux ou cuivre. Toutes ces enzymes détoxifiantes assurent la neutralisation des radicaux libres néfastes pour la cellule car capables d’endommager l’ADN, les membranes, les organelles, … Néanmoins, les espèces réactives de l’oxygène ne sont pas forcément délétères pour la cellule, surtout à des niveaux modérés (124). Elles peuvent participer à diverses voies de signalisation et favoriser aussi la différenciation et la survie. C’est pourquoi leur régulation est cruciale et se doit d’être assurée par différents systèmes fiables auxquels les mitochondries participent activement.

1.2.1. Production des ROS par la mitochondrie

Même si le complexe II a récemment été décrit comme capable de générer des ROS, les sites principaux de génération de ROS mitochondriaux sont le complexe I, au niveau du site flavine mononucléotide et du site de liaison à l’ubiquinone, ainsi que le complexe III au niveau de son cycle ubiquinone. Le complexe I génère de cette manière de l’O2^- du côté de la matrice alors que le complexe III en génère de part et d’autre de la membrane interne mitochondriale (Figure 15) (125). Il subsiste des doutes sur la capacité de l’O2^- à diffuser au travers des membranes mitochondriales même si des transporteurs ont été suggérés comme le complexe TOM, le VDAC ou les lipides membranaires. L’O2^- de l’espace intermembranaire aurait dans ce cas un accès au cytosol facilité par rapport à celui accumulé dans la matrice. L’H2O2 par contre a une demi-vie plus longue et peut diffuser à travers les membranes plasmiques.

Le potentiel oxydo-réducteur de la chaîne respiratoire détermine la quantité d’anion superoxyde produit par la fuite d’électrons à partir d’oxygène réduit. Quand l’ADP est présent en grande quantité, il accélère le flux d’électrons et la consommation d’oxygène, ce qui conduit à une chaine majoritairement oxydée et diminue donc la formation d’anion superoxyde. Par contre, la production des ROS est augmentée lorsque la chaine est réduite car cela élève la probabilité de fuite d’électrons. C’est pourquoi une respiration mitochondriale découplée va favoriser une quantité d’ADP plus élevée et ainsi contribuer à diminuer le stress oxydant. Les protéines permettant ce découplage constituent une soupape de sûreté de la pression protonique (126). C’est le cas de l’UCP1 qui sert notamment dans le tissu adipeux brun à générer de la chaleur à partir de la chaîne respiratoire plutôt que de l’ATP. L’augmentation du ratio NADH/NAD+ est aussi un facteur important dans cette régulation car il peut accroître la production des ROS par le complexe I par exemple.

135 D’autres enzymes mitochondriales génèrent de l’H2O2 ou de l’O2^- telles que la 2-oxoglutarate déshydrogénase (Odh) du cycle de Krebs, la dihydroorotate déshydrogénase, la sn-glycerol-3-phosphate déshydrogénase (mGPDH), la p66shc/cytochrome c, le complexe Mia40p/Erv1p ou la flavoprotéine de transfert électronique oxydoréductase ubiquinol ETF-QO. Cette dernière enzyme participe à la β -oxydation des acides gras (126).

1.2.2. Détoxification par la mitochondrie

La production des ROS par la mitochondrie varie en fonction des conditions physiopathologiques de la cellule mais comparativement à la quantité de ROS produits, très peu d’espèces réactives de l’oxygène sortent de la mitochondrie vers le cytosol grâce à des systèmes détoxifiants performants (Figure 16). L’anion superoxyde est efficacement pris en charge par les superoxydes dismutases (SOD) qui génèrent alors de l’H2O2. La dismutation est très rapide car les SOD sont en grande concentration (environ 10 µM), de même que la concentration de l’oxygène est bien supérieure à celle de l’O2^-. Il existe une SOD dans l’espace intermembranaire Cu/Zn SOD et une SOD matricielle, la MnSOD (127).

Figure 15 : Sites de production des ROS dans la mitochondrie

Les principaux sites de production de ROS mitochondriaux sont les complexes I et III. Au niveau du CI, la fuite d’électrons peut induire la production de ROS dans la matrice. Pour le CIII, le site principal de production est adjacent à l’espace mitochondrial intermembranaire. D’autres sites ont néanmoins été identifiés. Certaines enzymes passent directement des électrons au pool de quinone. Par exemple, l’Odh, une enzyme du cycle de Krebs produit des ROS dans la matrice alors que la mGPDH en produit dans l’espace intermembranaire. L’ETF-QO qui fournit des électrons au pool de quinone à partir d’acides gras est un autre site de génération de ROS. La dihydroorotate déshydrogénase en produit via la biosynthèse des pyrimidines. P66shc produit des ROS dans l’espace intermembranaire lors de l’extraction d’électrons du cytchrome c. Enfin, le système oxydoréducteur Mia40p et Erv1p forme des ponts disulfide sur les protéines importées dans la mitochondrie et est une autre source de ROS dans l’espace intermembranaire.

L’anion superoxyde peut aussi réagir avec le radical oxyde nitrique contenu dans la mitochondrie pour la synthèse du Fer et produire du peroxynitrite hautement réactif, liposoluble et toxique.

L’H2O2 produit par les SOD peut activer ou désactiver plusieurs enzymes mitochondriales. Il est aussi transformé en eau par les glutathion peroxydases et les peroxyredoxines qui sont ensuite régénérées par le glutathion et la thioredoxine. Les états de ces derniers sont réduits par le NADPH produits par trois enzymes aux substrats provenant du cycle de Krebs. Le cycle a de cette manière un rôle important dans le maintien de la capacité antioxydante de la matrice mitochondriale (123). La mitochondrie contient deux glutathion peroxydases sur les 8 que possèdent les cellules mammifères, Gpx1 et Gpx4, la première étant dans la matrice et la seconde dans la membrane interne mitochondriale. Les peroxyredoxines sont elles au nombre de 6 dont deux mitochondriales, Prx3 et Prx5 (127). Malgré une

Figure 16 : Sites de détoxification des ROS

Il existe d’autres sources de ROS que la mitochondrie comme par exemple les NADPH oxydases membranaires. Le système de détoxification cellulaire comprend plusieurs enzymes : les superoxydes dismutases (SOD) dont la MnSOD et la CuZnSOD, les catalases (CAT), les glutathion-peroxydases (GPX) et les peroxyredoxines (PRX). Ces trois dernières oxydent le glutathion (GSH) dans le processus de détoxification. Le recyclage du glutathion oxydé (GSSG) requiert du NADPH. En parallèle du GSH, la metallothioneine (MT) et les thioredoxines (TRX) sont aussi utilisées. Si les ROS sont considérablement augmentés, les radicaux hydroxyls, forme la plus dangereuse de ROS, peuvent être produits par la réaction de Fenton. Les dommages alors générés peuvent concerner l’ADN, les protéines et les lipides. Des dysfonctions mitochondriales sont aussi induites telles que des perturbations du potentiel, l’induction de la mort cellulaire et des perturbations de flux calcique.

137 efficacité semblable aux Gpx, elles sont plus abondantes et il est estimé que 90% de l’H2O2 est neutralisé par la Prx3. Les peroxyredoxines seraient responsables de la neutralisation de l’H2O2 à des niveaux nanomolaires permettant ainsi la régulation de la signalisation par les ROS. Les Gpx interviendraient quant à elles plutôt lorsque les concentrations d’H2O2 augmentent considérablement et qu’il faut à tout prix éviter les dommages cellulaires auxquels la cellule est exposée. Une autre enzyme, la catalase, est également efficace dans ces conditions mais son action demeure restreinte aux peroxysomes. Quand ces systèmes de détoxification sont débordés, d’autres peuvent venir en renfort comme par exemple les α -kétoacides du cycle de Krebs ou le pyruvate (126).

La détoxification des ROS par la mitochondrie est tellement automatique et efficace que cet organelle constitue lui-même un système antioxydant important de la cellule. La mitochondrie est ainsi à la fois productrice de ROS et détoxifiante. L’élévation de la biogenèse mitochondriale peut néanmoins parfois contrecarrer une montée des ROS dans la cellule grâce à la stimulation simultanée par PGC-1α des enzymes antioxydantes (2).

1.2.3. Signalisation pathologique et physiologique des ROS

Des ROS produites en trop grande quantité sont susceptibles de causer de nombreux dommages. Elles peuvent modifier les acides gras polyinsaturés composant les membranes lipidiques et ainsi entrainer un enchaînement de réactions peroxydantes. Elles peuvent aussi endommager des protéines et des enzymes en altérant notamment leurs fonctions. Enfin, elles peuvent compromettre l’ADN en causant des cassures et des mutations (122). Malgré des systèmes antioxydants performants, un stress oxydatif est inévitable dans une cellule. C’est en partie pour cette raison qu’il existe des systèmes de réparation de l’ADN et de nombreuses protéases. Un stress oxydatif plus important que celui supportable par la cellule conduira à des dommages irréparables et éventuellement à la mort cellulaire. Le stress oxydant augmente les taux de Ca2+ et de Fe2+ en mobilisant le calcium des réserves intracellulaires et en altérant les protéines chélatrices de Fer. Le premier a pour effet d’activer les calpaïnes potentielles exécutrices de mort alors que le second participe à la génération du radical hydroxyle hyper réactif et délétère. Des niveaux de ROS intracellulaires aberrants ont été associés à de nombreuses pathologies dont les cancers, maladies neurodégénératives ou cardiovasculaires et les diabètes. Il est toutefois difficile de déterminer si les ROS sont une cause ou une conséquence de ces maladies.

Par contre, à faibles concentrations, les ROS sont des molécules de signalisation primordiales dans la cellule qui agissent essentiellement par modifications post-traductionnelles. Les phosphatases sont particulièrement sensibles aux ROS puisqu’elles possèdent une cystéine réactive dans leur domaine catalytique dont l’oxydation inhibe leur activité de déphosphorylation (124). Il est estimé que 0,2 à 2% de l’oxygène consommé par la cellule devient des ROS (128). Ces ROS sont essentiels pour de

nombreux processus tels que le signal de satiété, la libération d’insuline, la régulation du cycle cellulaire, la signalisation hypoxique, la régulation du métabolisme mitochondrial, l’immunité cellulaire, la stabilité des télomères, l’activation de facteurs de transcription, des modifications épigénétiques et bien d’autres. Les voies de signalisation majeures que sont la voie Notch, la voie Akt, la voie des MAPK et ATM sont régulées par les ROS mitochondriaux (122). L’étude de la signalisation contrôlée par les ROS est contrainte par la difficulté dans la mesure des concentrations de ces composés à courte durée.