LA TRANSFERRINE ET LE METABOLISME DU FER

1.2.1 Fer et métabolisme

L'évolution des organismes montre une longue dépendance du fer, surtout après que le

fer disponible a diminué suite à la présence d'oxygène atmosphérique. Le fer possède deux

états d'oxydation stables en solution aqueuse, le fer ferreux, Fe(II), et le fer ferrique, Fe(III).

Cette propriété lui permet de jouer un rôle crucial dans les réactions biologiques (par exemple,

le transfert d'oxygène (hémoglobine, myoglobine), le transfert d'électrons (cytochromes), la

fixation de l'azote (nitrogénase), et la synthèse d'ADN (ribonucléotide réductase)). La solu­

bilité du fer est devenue un véritable problème il y a 2,5 milliards d'armées quand l'eau a

commencé à être utilisée comme source d'hydrogène pour la photosynthèse. L'02 produit par

la photosynthèse, véritable polluant pour les organismes dépendants du fer, a crée un dilemme

pour ces organismes. Ceux-ci ont dû soit migrer vers des envirotmements moins hostiles

dépourvus d'02, soit s'accommoder de la basse solubilité du fer ferrique produit par l'02 à

partir du fer ferreux (Fe(III) est lO'^ moins soluble que Fe(Il)). C'est pourquoi, on trouve dans

la plupart des organismes procaryotes et eucaryotes, une large protéine cytoplasmique, la

ferritine, qui stocke le fer dans les cellules et le maintient dans une forme soluble

(Fe(IIl)O.OH) utilisable pour les réactions biochimiques requérant du fer (revue: Theil, 1987).

Introduction

1.2.2 Les transferrines

Comme dans le sérum des vertébrés le fer ferrique disponible est présent en faible

concentration, les organismes ont évolué en synthétisant des molécules chélatrices de fer

permettant la capture, la séquestration et la solubilisation du fer (sidérophores des procaryo-

tes, transferrines des mammifères) (Aisen & Litowsky, 1980). Notons que les transferrines

sont de petites molécules qui fixent jusqu'à deux atomes de fer (~ 80 kDa) par rapport aux

ferritines sphériques (~ 450 kDa) qui constituent de véritables réservoirs pouvant contenir

jusqu'à 4500 atomes de fer/molécule. Ces propriétés font que les transferrines interviennent

principalement dans la mobilisation du fer à l'intérieur de la cellule et entre cellules. Le

recyclage par les macrophages du fer à partir des érythrocytes vieillis illustre l'importance

considérable de la transferrine et de la ferritine chez l'homme. Chaque jour, chez un homme,

plus de 10^^ érythrocytes vieillis se font phagocyter par les macrophages. Sur les 0,54

mmoles de fer que contiennent les érythrocytes, 90% sont convertis par les macrophages en

ferritine, qui largue lentement le fer à l'apo-transferrine. Ensuite, l'holo-transferrine délivre le

fer aux érythrocytes immatures, bouclant ainsi le cycle (Theil, 1987).

Plusieurs transferrines ont été identifiées à ce jour. Cela inclut la transferrine sérique, la

lactoferrine trouvée dans le lait, les leucocytes et d'autres sécrétions, l'ovotransferrine trouvée

dans le blanc d'oeuf, et finalement la melanotransferrine, véritable récepteur de fer lié à la

membrane plasmique des cellules de mélanome humain, par un radical glycosylphosphatidyl-

inositol (GPI) (revues: Huebers & Finch, 1987; Rose, et al, 1986; Kennard, et al, 1995).

Toutes les transferrines, en particulier la lactoferrine et l'ovotransferrine, peuvent jouer un rôle

bactériostatique lors d'infection bactérienne en contrôlant les niveaux de fer utilisable par les

cellules. En outre, la transferrine sérique est la principale protéine transporteuse de fer chez les

vertébrés. Outre sa fonction de transport, la transferrine sérique jouerait un rôle secondaire

indépendant dans la stimulation de la prolifération cellulaire. Ce rôle serait joué par l'exon 2 de

la transferrine sérique qui possède des homologies de structure avec des protéines transform­

antes de lymphocytes B de poulet et humaines (ChBlym-I et HuBlym-I), dont la seconde est

associée au lymphome de Burkitt (Bailey et al, 1988). Ainsi chez les vertébrés, la transferrine

sérique représente la principale voie d'acheminement du fer ferrique depuis les sites d'absorp­

tion et de dégradation de l'hème (épithélium intestinal), jusqu'aux sites de stockage et d'utilisa­

tion (système hématopoïétique) (revue: Thorstensen & Romslo, 1990).

Les transferrines sériques sont des glycoprotéines composées d'une seule chaîne poly­

peptidique de ~ 80 kDa. Elles possèdent deux lobes similaires partageant ~ 40% d'identité de

séquence. Ces deux lobes sont reliés par une courte chaîne qui peut être protéolysée pour

produire deux demi-molécules N et C-terminales. Chaque lobe est capable de fixer par liaison

de coordination une molécule de fer ferrique (Bailey et al, 1988). Les transferrines sériques

Introduction

fixent le fer ferrique avec une très haute affinité au dessus de pH 6 (ATa de 10^2 à pH 7,4;

Aisen & Litowsky, 1980), mais en dessous de cette valeur le larguent très rapidement.

1.2.3 Endocytoses et récepteurs de transferrine chez les cellules de mammifères

1.2.3.1 Endocytoses chez les mammifères (revues: Dautry-Varsat & Lodish, 1984;

Smythe & Warren, 1991; Robinson, 1994)

Les cellules d'un organisme multicellulaire baignent dans un milieu aqueux, dérivé du

sang, très riche en molécules diverses. Beaucoup de ces ingrédients se trouvent en concen­

trations très basses. Certains d'entre eux sont nécessaires aux cellules pour les biosynthèses

(a.a. et vitamines...), d'autres délivrent des signaux intercellulaires spécifiques (hormones),

d'autres enfin sont des produits sans intérêt pour la cellule voire même des substances

toxiques. Dans ce contexte, chaque cellule doit extraire du milieu extracellulaire les substances

dont elle a besoin et rejeter le reste.

La membrane plasmique de la cellule joue le rôle de tamis moléculaire en contrôlant les

trafics avec le milieu et avec les autres cellules. Comme toutes les membranes biologiques, la

membrane plasmique est principalement constituée par une bicouche de molécules phospho­

lipidiques entre lesquelles se trouvent réparties toute une variété de protéines. Une des

fonctions majeures de cette membrane est de faciliter l'entrée sélective de molécules solubles à

travers la bicouche lipidique imperméable. Les ions, les petites molécules solubles comme les

acides aminés et les sucres diffusent simplement à travers la membrane ou sont pompés à

travers des canaux spécialisés de la membrane (perméases). En ce qui concerne les larges

molécules, celles-ci sont transportées à l'intérieur de la cellule par l'intermédiaire d'un méca­

nisme différent appelé endocytose par lequel les macromolécules sont entourées par la

membrane plasmique avant d'être progressivement internalisées par l'intermédiaire de vésicules

formées par cette membrane. Classiquement, on distingue trois types différents d'endocytose.

Dans la phagocytose, la liaison d'une très large molécule ou d'un complexe moléculaire à

la surface de la cellule déclenche une expansion de la membrane autour de l'objet (pseudo­

podes) qui est progressivement incorporé dans une vésicule naissant d'une invagination de la

membrane appelé le phagosome, généralement d'une taille supérieure à 250 nm mais pouvant

aller jusqu'à plusieurs |0.ms de diamètre. Ce système d'endocytose est largement répandu chez

les protistes (ingestion de bactéries) et chez toutes les cellules devant ingérer des nutriments

de très grande taille (macrophages,...).

La pinocytose est un processus différent qui résulte d'une internalisation non spécifi­

que de fluide extracellulaire. Dans ce processus, une mini-gouttelette de liquide est entourée

par une in\’agination de la membrane plasmique et est internalisée dans une vésicule d'une taille

qui est généralement <150 nm de diamètre. Contrairement à la phagocytose qui requiert des

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récepteurs spécifiques dont l'activation déclenche la formation de pseudopodes, la pinocytose

est un processus constitutif qui se produit de manière continue. Le taux d'internalisation de

membrane plasmique réalisée par l'intermédiaire de ce processus varie considérablement d'une

cellule à l'autre (par exemple, le macrophage peut ingérer 100% de sa membrane plasmique en

l'espace de deux heures).

En contraste avec les deux processus d'endocytose que nous venons de décrire, l'endo­

cytose réalisée par l'intermédiaire d'un récepteur (RME, receptor-mediated endocytosis) est

extrêmement spécifique. Les récepteurs sont des protéines de membrane et chacune d'entre

elles possède au moins un domaine de fixation pour un ligand particulier: une protéine ou une

petite particule. Alors que le ligand se trouve en faible concentration parmi toutes une série

d'autres molécules composant le milieu extracellulaire, le récepteur fixe spécifiquement et

rapidement son ligand. Après la fixation en surface des ligands sur les récepteurs transmembra­

naires, les complexes récepteur-ligand sont regroupés dans des puits "mantelés" qui sont des

invaginations de la membrane plasmique épaissies du côté cytoplasmique (coated pits). Parmi

les molécules internalisées par l'intermédiaire de récepteurs spécifiques sont inclus des

nutriments (LDL (low density lipoprotein) et Tf), des facteurs de croissance (EGF), des

hormones (insuline), certains virus et d'autres antigènes étrangers. Le composant majeur du

manteau est une protéine complexe, appelée clathrine, qui interagit avec la queue cytopla­

smique du récepteur via des complexes protéiques appelés "adaptors" (a-adaptine, P-adapti-

ne, AP50 et AP 17) autres constituants protéiques du manteau impliqués dans la liaison du

manteau de clathrine à la membrane plasmique et dans la capture spécifique des récepteurs à

l'intérieur des vésicules (Pearse, 1988; Trowbridge, 1991). La clathrine est composée de 6

chaînes polypeptidiques (3 chaînes légères de 30-40 kDa et trois chaînes lourdes de 180 kDa)

qui, ensemble, forment une structure "à trois bras" appelée triskelion (Brodsky, 1988). Les

triskelions de clathrine s'assemblent en une corbeille convexe formée de pentagones et

d'hexagones. La croissance et le réarrangement de ce treillis de clathrine cause une invagination

du puits. L'invagination, suivie de la fermeture du puits, processus dans lequel est impliqué

une protéine GTPase (dynamine), conduit au largage intracytoplasmique d'une vésicule "man-

telée" (coated vesicle) qui transporte le ligand dans le cellule. La vésicule "mantelée" perd

rapidement son manteau et la vésicule d'endocytose résultante délivre son contenu aux

endosomes précoces. Là, les récepteurs et les ligands peuvent avoir différentes destinations.

Ils peuvent être déli\Tés à des lysosomes, dans lesquels ils seront dégradés. Alternativement,

ils peuvent être transportés dans des granules de stockage (par exemple, la vitellogénine est

transportée et cristallisée dans des granules formant les plaquettes vitellines de l'oocyte de

Xénope; Busson et al. 1989). Quant aux récepteurs, ils peuvent être soit dégradés, soit

recyclés en surface pour subir d'autres cycles d'endocytose.

En réalité, la dichotomie entre pinocytose et endocytose réalisée par l'intermédiaire de

récepteurs n'est pas aussi nette qu'il y paraît et est sujette à controverse (Watts & Marsh,

Introduction

1992). En effet, lors de l'invagination des puits "mantelés", une partie du fluide extracellulaire

est emprisonnée et par conséquent, des substances dissoutes du fluide extracellulaire sont

internalisées via les vésicules à clathrine. Ce processus contribue à l'endocytose "phase-fluide"

de la cellule. Ainsi, la formation de vésicules "mantelées" peut être responsable, à la fois, de

l'endocytose spécifique (RME) et de la pinocytose. C'est pourquoi, certains auteurs considè­

rent qu'il y a seulement deux types d'endocytose: la pinocytose se faisant de manière consti­

tutive (pinocytose "phase-fluide" continue couplée à la pinocytose adsorptive ou RME) et la

phagocytose induite par des ligands. Cependant, il apparaît de plus en plus clairement que des

mécanismes pinocytotiques clathrine-indépendants {via des vésicules lisses) interviennent

dans l'endocytose "phase-fluide" (Watts & Marsh, 1992). Par ailleurs, on peut induire par des

esters de phorbol ou des facteurs de croissance l'endocytose "phase-fluide" (Swanson et al,

1985). Dans ce cas, on parlera plutôt de macropinocytose car les vésicules peuvent avoir une

taille de plusieurs pm de diamètre.

En outre, contrairement aux processus d'endocytose faisant intervenir des vésicules "à man­

teau", les macropinocytoses et pinocytoses clathrine-indépendantes semblent faire intervenir

un mécanisme de type actine-tubuline, comme le montre la sensibilité de ces endocytoses à la

cytochalasine D et à la colchicine.

Pour terminer, notons qu'il existe un autre type d'endocytose (potocytose) réalisé par

l'intermédiaire de récepteurs ancrés à la membrane par un radical GPI (récepteur de l'acide 5-

méthyltétrahydrofolique) au niveau de microinvaginations de la membrane (caveolae) (Roth-

berg, 1990; 1992). Cependant, dans ce cas les microinvaginations ne quittent pas la surface

cellulaire pour rejoindre les endosomes précoces. Par conséquent, le rôle des "caveoli" reste

très limité dans les processus d'endocytose et est considéré distinct des chemins d'endocytose

dépendant ou indépendant de la clathrine.

1.2.3.2 Récepteurs de Tf et endocytose chez les mammifères

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