R ÉSUM É Summary
L’homéostasie du fer repose sur le taux de son absorption par l’intestin et sa libération des sites de stockage, les macrophages.
L’excès de fer est responsable d’une hémochromatose, et sa carence aboutit à l’anémie ferriprive. La compréhension des processus impliqués dans le maintien de l’homéostasie du fer a fait des progrès considérables. L’hepcidine est un des acteurs-clés et joue un rôle crucial dans la physiologie comme dans la pathologie du métabolisme du fer. Les mécanismes moléculaires de la surcharge en fer et de sa carence sont de mieux en mieux compris, ce qui permet d’identifier des marqueurs importants dans le diagnostic de ces pathologies. Cette revue donne un aperçu des données récentes concernant le métabolisme du fer et les pathologies qui s’y attachent.
Mot-clés : Métabolisme du fer – Hepcidine – Carence en fer – Surcharge en fer – NTBI.
Iron homeostasis is based on the rate of its absorption by the intestine and its release from storage sites, macrophages.
Excess iron causes haemochromatosis, and its deficiency leads to anemia. Considerable progress has been made in understanding the process involved in maintaining iron homeostasis. Hepcidin is one of the key players that hare play a crucial role in both the physiology and pathology of iron metabolism. The molecular mechanisms of iron overload and its deficiency are getting better understood, making it possible to reveal important markers in the diagnosis of these pathologies. This article provides an overview of recent data on iron metabolism and related pathologies.
Keywords: Iron metabolism − Hepcidin − Iron deficiency − Iron overload − NTBI.
Métabolisme du fer
Iron metabolism
Z. Karim*
* Université Sorbonne Paris-Cité, université Paris-
Diderot, Inserm U1149/
ERL 8252, Center of Research on Inflammation (CRI), Laboratory of Excellence GR-Ex, Paris.
D
ans l’organisme, le fer est nécessaire pour cata- lyser des réactions de transfert d’électrons, de fixation d’azote ou de synthèse d’ADN, mais sa fonction principale est le transport de l’oxygène via l’hémo globine. Le stock normal de fer est de 35 à 45 mg/kg chez l’homme ; il est légèrement inférieur chez la femme avant la ménopause (environ 35 mg/ kg).La majorité du fer (60 %) est incorporée dans l’hémo- globine, tandis que 10 à 15 % sont retrouvés dans la myoglobine musculaire et les cytochromes (10 %). Le foie (environ 1 000 mg) et les macrophages du tissu réticuloendothélial constituent les principaux sites de stockage et de recyclage du fer. Le fer circulant, lié à la transferrine, ne représente qu’une faible proportion (1 %) du stock total de fer. Dans les conditions physio- logiques, une faible quantité de fer est éliminée par la transpiration et la desquamation des cellules cutanées et intestinales (1 à 2 mg/j), ainsi que, chez la femme, pen- dant les règles. Cette perte est totalement compensée par l’absorption intestinale du fer (héminique et non héminique) qui s’effectue au niveau des entérocytes (1).
Il n’existe pas de mécanisme efficace d’excrétion du fer. De ce fait, le fer exogène apporté à l’organisme ne s’élimine pas et risque de s’accumuler d’une manière
toxique dans les tissus. Du fait de sa capacité à échan- ger des électrons en situation d’aérobie, le fer peut se transformer rapidement d’un état réduit ferreux [Fe(II) ou Fe2+] à un état ferrique oxydatif [Fe(III) ou Fe3+]. Cette propriété est importante pour de nombreux procédés catalytiques. Cependant, l’activité redox du fer peut être toxique lorsque les défenses antioxydantes de la cellule sont dépassées. Le fer sous forme libre est susceptible d’être engagé dans des réactions d’oxydo réduction conduisant à la formation de radicaux hydroxyles (réac- tion de Fenton : Fe2+ + H2O2 " Fe3+ + ·OH° + OH−, ·OH°
étant une des espèces réactives de l’oxygène (ROS) les plus puissantes dans la nature) générant un stress oxy- datif majeur. Ainsi, les niveaux de fer sont étroitement régulés pour fournir une quantité suffisante de fer aux processus cellulaires importants, tout en empêchant la production de ROS.
Métabolisme du fer dans l’organisme
Le Fe(III) alimentaire est réduit en Fe(II), par une réduc- tase (Dcyt B [Duodenal cytochrome B]) localisée dans les bordures en brosse des entérocytes (2) [figure].
Le Fe(II) est ensuite transporté grâce à un cotransporteur de proton nommé DMT1 (Divalent Metal Transporter 1, ou SLC11A2) [3]. Le fer rejoint le pôle basolatéral de l’entéro cyte et passe dans la circulation grâce à la ferro- portine (FPN, ou SLC40A1), protéine sans aucune homo- logie avec DMT1 (4). L’export du fer par la FPN nécessite une activité ferroxydase, assurée par 2 enzymes, la céruloplasmine et l’héphaestine, qui sont localisées dans la membrane des entérocytes et permettent à la transferrine de lier le fer circulant sous forme de Fe(III).
Dans le sang, le fer absorbé est rapidement lié à la transferrine, une protéine de liaison abondante, de haute affinité et capable de neutraliser la réactivité du fer. Chez les sujets humains normaux, le fer occupe environ 30 % des sites de fixation du fer sur la trans- ferrine. Ce niveau de saturation de la transferrine (SAT) varie selon un cycle diurne et répond rapidement aux variations du bilan de fer plasmatique. La plupart des cellules de l’organisme peuvent assimiler le fer lié à la
transferrine grâce au récepteur ubiquitaire TFR1, qui a une forte affinité pour le complexe fer-transferrine.
L’endocytose de TFR1 permet la dissociation du fer de la transferrine dans les endosomes intracellulaires à pH acide. Le Fe(III) libéré est ensuite réduit en Fe(II) par une réductase (telle que steap3 [Six Transmembrane Epithelial Antigen of Prostate 3] dans les cellules éry- throïdes), puis transporté vers le cytosol à travers le DMT1 localisé dans ces endosomes.
Une autre forme de fer existe dans la circulation ; il s’agit du fer non lié à la transferrine (NTBI [Non-Transferrin- Bound Iron]). Dans l’atransferrinémie où les concentra- tions du fer sérique excèdent la capacité de saturation de la transferrine, le fer se complexe aux citrates, à l’acé- tate et à l’albumine pour être véhiculé et pénétrer dans les cellules d’une manière non spécifique. Ce phéno- mène s’observe également dans certaines maladies de surcharge en fer, telle la thalassémie majeure, avec dépendance transfusionnelle, où le taux de fer sérique Figure. L’homéostasie du fer au niveau moléculaire.
Le fer est absorbé par les entérocytes duodénaux présents au sommet de la villosité. Du côté de la lumière intestinale, le fer inorganique est réduit au pôle apical des entérocytes par Dcyt B et est transporté à travers les membranes par DMT1. Le fer héminique est absorbé, probablement par le transporteur HCP-1 (Heme Carrier Protein 1). Une fois dans l’entérocyte, le fer est soit accumulé dans la ferritine et éliminé lors de la desquamation des entérocytes, soit transféré au pôle basolatéral, où il sera exporté par la ferroportine (FPN) et oxydé en Fe(III) par l’héphaestine (ou la céruloplasmine [Cp]). Le fer est ensuite fixé à la transferrine (Tf) et distribué dans l’organisme.
Le fer plasmatique provient majoritairement du recyclage du fer héminique par les macrophages du foie et de la rate. Les globules rouges sénescents sont phagocytés par les macrophages, l’hème est dégradé par l’hème oxygénase et le fer exporté vers le plasma par FPN, oxydé par la céruloplasmine (Cp), et pris en charge par la transferrine (Tf). La majorité du fer plasmatique est distribuée aux précurseurs érythropoïétiques de la moelle osseuse. L’hepcidine est un peptide produit par le foie pour réduire un taux de fer sérique élevé. Elle inhibe à la fois l’absorption intestinale et l’export du fer par les macrophages.
Moelle osseuse
Recyclage Hepcidine
Foie
Rate Macrophages
Sang Hème DMT1
FPN
FPN
érythropoïèse Héphaestine
Ferritine HCP1
HO
HO1 Cp Tf Fe(ll) Fe(ll) Fe(ll) Dcyt B
Fe(lIl)
élevé se traduit par une saturation maximale de la trans- ferrine, induisant, dès que la SAT est supérieure à 70 %, la présence de NTBI dans le plasma. Les transporteurs cellulaires du NTBI sont encore peu connus. DMT1 est un premier candidat, mais des études récentes ont identifié un transporteur de zinc : SLC39A, Zip14 (Zrt- and Irt-like Protein 14), qui lie et transporte le NTBI dans les hépato- cytes (5). Dans le cœur, les canaux calciques de type L (LTCC) et de type T (TTCC) seraient les principales voies d’acquisition du NTBI en cas de surcharge de fer (6, 7).
De faibles quantités de fer héminique (hème et hémoglobine) peuvent se trouver dans la circulation ; l’hémopexine et l’haptoglobine sont des protéines plasmatiques qui lient respectivement l’hème et l’hémo globine libre en limitant leurs effets toxiques.
Les 2 complexes sont captés par des récepteurs spéci- fiques (CD91 pour le complexe hème-hémopexine et CD163 pour le complexe hémoglobine-hapto globine) exprimés à la membrane des macrophages de la rate et du foie et dans les hépatocytes (8, 9). Ces protéines jouent un rôle important dans l’élimination du fer dans les maladies hémolytiques (10). Les cellules érythroïdes de la moelle osseuse sont les plus grands consomma- teurs de fer. Environ un milliard d’atomes de fer (20 à 30 mg) sont utilisés chaque jour pour former l’hémo- globine dans les érythrocytes nouvellement produits.
Les macrophages de la rate et du foie récupèrent le fer héminique des érythrocytes vieillissants après phagocy- tose et catabolisme de l’hème par une enzyme, l’hème oxygénase (HO1) [11]. Le fer mobilisable est ainsi recyclé vers la transferrine plasmatique pour une redistribution aux tissus. FPN est essentiel pour cet export du fer par les macrophages (12). Dans toutes les cellules, le fer non utilisé est stocké sous une forme non réactive, grâce à la ferritine. Le Fe(II) pourrait être livré à la ferritine par des chaperons cyto plasmiques, tels que la PCBP1 (Poly (rC)-Binding Protein 1) [13]. La ferritine est organisée sous la forme d’un complexe protéique constitué de 24 sous-unités de 2 types : H et L. Chaque molécule de la ferritine est capable de stocker jusqu’à 4 500 atomes de fer, qui sont facilement mobilisables en cas de besoin.
Une forme soluble de la ferritine, pauvre en fer, se trouve dans le plasma. Cette ferritine sérique, utilisée en clinique pour évaluer les stocks de fer, est composée essentiel- lement de sous-unités L dont une partie est glycosylée.
Dans la majorité des cas, les concentrations sériques en ferritine sont corrélées aux réserves tissulaires du fer, sauf dans certaines conditions où la synthèse de ferri- tine est principalement due à l’inflammation. En effet, la ferritine stimulée par les cytokines inflammatoires (14) est largement reconnue comme étant un marqueur de l’inflammation aiguë et chronique. La ferritine sérique est
souvent augmentée d’une manière non spécifique dans plusieurs types d’états inflammatoires, dont l’insuffisance rénale chronique, la polyarthrite rhumatoïde et d’autres maladies auto-immunes.
Dans ces pathologies, l’élévation de la ferritine sérique est un facteur de mauvais pronostic, puisqu’elle reflète l’augmentation de la séquestration du fer dans les tissus de stockage, qui rend le fer indisponible pour l’érythro- poïèse, un processus qui contribue à l’anémie inflam- matoire. À forte concentration, la ferritine chargée en fer peut être incorporée dans des lysosomes et cristalliser.
Cela conduit à la formation d’hémosidérine, qui cor- respond à des agglomérats de protéines, de fer et de produits de la dégradation membranaire. Cette forme de fer n’est pas facilement mobilisable, et peut être révélée par la coloration de Perls sur un frottis de moelle.
Régulation du métabolisme du fer
Régulation intracellulaire
L’homéostasie intracellulaire du fer est assurée grâce au système IRE-IRP (Iron Responsive Elements-Iron Regulatory Proteins), qui contrôle l’expression post- transcrip tionnelle de plusieurs protéines impliquées dans le métabolisme du fer (TFR1 pour l’acquisition, DMT1 et FPN pour le transport, la ferritine pour le stoc- kage et ALAS2 pour l’utilisation du fer dans l’érythro- poïèse). Les IRP sont des protéines cytosoliques solubles dont l’activité varie selon la concentration intracel- lulaire en fer. Il existe 2 protéines IRP : IRP1 et IRP2, dont l’identité de séquence s’élève à 56 %. Les IRE sont des motifs ARN de type épingle à cheveux (motifs hairpin) qui servent de sites spécifiques de fixation pour les IRP.
L’interaction entre IRE et IRP stabilise l’ARNm lorsque les motifs IRE sont situés dans la partie 3’-UTR, comme pour TFR1, et impose une contrainte stérique à la traduction de la protéine lorsque ces mêmes motifs sont situés du coté 5’-UTR. Il en résulte une augmentation de l’acqui- sition du fer lié à la transferrine, et une diminution de la traduction de la ferritine, le stockage intracellulaire du fer n’étant pas opportun dans ces conditions.
Les 2 protéines IRP1 et IRP2 sont exprimées de façon ubiquitaire. IRP1, qui est constitutivement présente, est une enzyme bifonctionnelle ; lorsque le fer intracellu- laire est abondant, elle acquiert un centre [4Fe-4S] (ou ISC [Iron-Sulfur Cluster]) dans son site actif et exerce une activité d’aconitase cytosolique. En cas de déficience en fer, IRP1 perd son ISC et acquiert une affinité pour les motifs IRE. IRP2 ne contient pas de site de fixation ISC, mais elle est rapidement dégradée au niveau du protéasome en présence d’un excès de fer.
HAMP, est synthétisé majoritairement par les hépato- cytes et sécrété dans le plasma. Il agit sur FPN pour inhiber le transport du fer, entraînant une diminution de son absorption et une augmentation de sa rétention dans les macrophages et les cellules de Kupffer (16).
Au niveau de l’intestin, l’hepcidine agit en plus sur la DMT1 apicale et entraîne son internalisation puis sa dégradation via le protéasome (17). La régulation de la synthèse de l’hepcidine est extrêmement complexe et répond à de multiples signaux, dont certains ne sont encore que mal compris. En effet, la synthèse de l’hep- cidine est stimulée par des apports importants de fer et par l’inflammation. Elle est réprimée par la carence en fer et par toutes les situations qui stimulent l’acti- vité érythropoïétique de la moelle osseuse (anémie, saignements, hémolyse, dysérythropoïèse et injections d’érythropoïétine).
Troubles du métabolisme du fer
Carence en fer
La carence en fer est définie par la réduction des réserves de fer. Une carence en fer prolongée aboutit à l’anémie ferriprive caractérisée par la présence de globules rouges microcytaires et hypochromes. Une anémie microcytaire hypochrome peut être héréditaire ou acquise. Les modalités du diagnostic de la carence en fer sont relativement bien établies. La mesure de la ferritinémie est le test le plus sensible. Une ferritinémie inférieure à 30 µg/l est spécifique d’une carence en fer. Ce niveau est encore plus bas quand la carence en fer aboutit à l’anémie ferriprive et s’accompagne d’une SAT inférieure à 16 %. Le bilan martial étant for- tement dépendant du contexte pathologique associé (inflammation, thalassémie, anémies sidéroblastiques), il existe des directives pour le diagnostic différentiel de ces anémies microcytaires (18).
L’évaluation des réserves médullaires de fer permise par la coloration de Perls sur les frottis de moelle osseuse obtenus après myélogramme est une option qui n’est pas utilisée fréquemment. Cependant, d’autres mar- queurs peuvent être employés pour révéler une carence en fer dans les cellules érythroïdes.
En cas de carence en fer, le récepteur TfR1 (ou CD71), qui est sous le contrôle étroit du système IRE-IRP, est fortement exprimé ; il en résulte une augmentation du
également un indice fiable de la carence en fer.
En effet, la synthèse d’hème nécessite l’activation d’une cascade de réactions enzymatiques permettant la production de plusieurs porphyrines, et l’incorpora- tion à l’étape finale d’un atome Fe(II) dans la dernière molécule ; la protoporphyrine IX (PPIX) est nécessaire pour donner naissance à la molécule d’hème. Dans les carences en fer sévères, le zinc peut remplacer le fer, et une partie de la PPIX est transformée en Zn-PPIX.
Ce système permet de réduire l’excès d’accumulation de PPIX toxique.
Surcharge en fer
La surcharge en fer peut être héréditaire (hémo - chromatose génétique) ou acquise (surcharge en fer secondaire). L’hémochromatose héréditaire se manifeste par des signes cliniques tels que l’asthénie, une mélano- dermie, une ostéoarthropathie, une hépatopathie, une cardiomyopathie ou des atteintes endocriniennes, y compris le diabète et l’hypogonadisme. Ces atteintes cliniques sont devenues rares en raison du dépistage génétique précoce.
Les nouvelles découvertes moléculaires de la voie de l’hepcidine ont permis la compréhension de la patho- genèse de l’hémochromatose héréditaire. Des muta- tions dans l’hepcidine ou ses régulateurs en amont (HFE, TFR2, HFE2) conduisent à une expression de l’hepcidine réduite (ou absente), à une augmentation concomitante de l’absorption du fer et à l’accumulation excessive de fer dans les organes périphériques. Des mutations de FPN, empêchant la fixation de l’hepcidine sur cet exporteur de fer, produisent également une hémochromatose héréditaire. Très récemment, notre équipe a rajouté dans l’étiologie de l’hémochroma- tose héréditaire (HH) le gène BMP6 (19). Des mutations hétérozygotes de ce gène se sont avérées responsables d’une HH modérée mais pouvant devenir sévère dans des contextes pathologiques particuliers (surpoids, consommation – même modérée – d’alcool, ou encore présence de mutations de HFE non délétères). Le trai- tement de l’hémochromatose génétique est fondé sur la pratique de saignées régulières.
La surcharge en fer secondaire résulte soit d’un apport en fer exogène très excessif (transfusions sanguines ou régime alimentaire anormalement enrichi en fer), soit d’une pathologie associée, telle que l’hémolyse.
Les dysérythropoïèses, quelle que soit leur cause (syn-
dromes thalassémiques, anémies sidéroblastiques héré- ditaires ou acquises, anémies dysérythropoïétiques congénitales), peuvent induire, avant toute transfusion, une surcharge en fer par répression de l’hepcidine et hyperabsorption digestive de fer réactionnelle à l’état d’érythropoïèse inefficace qui les caractérise.
Dosage de l’hepcidine
Il existe 2 méthodes de dosage de l’hepcidine : l’une est basée sur une méthode immunologique de type ELISA, et l’autre, sur la spectrométrie de masse.
Les valeurs absolues de concentration d’hepci- dine plasmatique varient d’un facteur 10 entre les 2 méthodes.
Cependant, elles ont permis de mettre en évidence le rôle de l’hepcidine dans de nombreuses situations pathologiques associées à des anomalies du métabo- lisme du fer, comme les hémochromatoses héréditaires, l’IRIDA (Iron-Refractory Iron-Deficiency Anemia) ou l’ané- mie des états inflammatoires. À l’avenir, l’application majeure des dosages d’hepcidine sera de déterminer les patients susceptibles de retirer le plus grand bénéfice d’un traitement martial, particulièrement dans le cadre d’une anémie associée à un état inflammatoire. En effet, un taux d’hepcidine proche de la limite basse de la nor- male est un bon marqueur pour indiquer une thérapie martiale par fer intraveineux, dans la mesure où ce der-
nier doit être d’abord métabolisé par les macrophages avant d’être libéré par FPN. Ce mécanisme sera d’autant plus efficace que l’hepcidine sérique sera plus basse.
Conclusion
L’hepcidine, dont le rôle de garde-fou de la balance du fer dans l’organisme est établi, devient aussi une cible thérapeutique très pertinente. Les agonistes de l’hepci- dine pourront empêcher ou atténuer la surcharge en fer dans les maladies dues à une insuffisance en hepcidine, y compris les formes les plus rares de l’hémochroma- tose héréditaire et la thalassémie. Un traitement par des antagonistes de l’hepcidine serait, à l’inverse, pré- conisé pour des formes particulières d’anémie, comme l’anémie de l’inflammation, l’anémie de l’insuffisance rénale chronique ou encore les anémies de type IRIDA.
Le développement de ces traitements s’avère néanmoins très difficile en raison de la petite taille de la forme active de l’hepcidine et de la nature de son repliement (8 cys- téines engagées dans 4 liaisons disulfures). Cependant, plusieurs essais sont en cours, dans des modèles ani- maux et chez l’homme. La découverte récente du facteur érythroïde Fam132b et la démonstration, chez l’homme, de l’influence de BMP6 sur la production de l’hepcidine endogène offrent, en principe, des perspectives nou- velles pertinentes dans le traitement de l’hémochro-
matose primaire ou secondaire. ■
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R é f é r e n c e s
L’auteur déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.
