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Produits de glycation
et
résistance à l’insuline
J GIUDICELLIJean GIUDICELLILaboratoire de Biochimie – Biologie Moléculaire / INSERM U-907
CHU de Nice - Faculté de médecine - Nice
La glycation des protéines est un processus dépendant de l’activation d’enzymesLa glycation des protéines est un processus dépendant de l activation d enzymes
Chez le diabétique, la glycation des protéines est une conséquence directe de l’hyperglycémiel hyperglycémie
La glycation est un processus qui n’affecte que les protéines
La glycation est un processus strictement extracellulaire
RAGE est spécifique des AGE. En conséquences les AGEs sont ses seuls ligands
P i l é t AGE l RAGE t bl d’i d i l’ ti ti dParmi les récepteurs aux AGEs, seul RAGE est capable d’induire l’activation de voies de signalisation en réponse à la fixation du ligand (AGE)
Les α-cétoaldéhydes ne sont générés qu’à l’intérieur de la cellule en réponse aux AGEs
L éth l l l t ét ldéh d d it à ti d’ i t édi i d lLe méthylglyoxal est un α-cétoaldéhyde produit à partir d’un intermédiaire de la glycolyse
L’efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines estL efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines est supérieure à celle du fructose
Il n’existe qu’un nombre restreint de produits de glycation avancée
HbA1c est une forme glyquée de l’hémoglobine
La formation des produits d’Amadori est réversible
La résistance à l’insuline est augmentée par l’action des AGEsg p
Les AGEs génèrent directement ou indirectement du stress oxydant
Projections globales concernant l’épidémie diabète 2000 -20102000 2010
84.5132 3
14.217.523%
26.532.924%
132.357%
9 4
15.6
9.414.150%
1.01.3
Worldwide2000 = 176 millions
15.622.544%
33%2010 = 221 millions2025 = 300 millions
Diabète et Santé PubliqueAprès 12 ans le diabétique développe dans + 50% des cas des complications vasculaires
Complications macrovasculaires
Après 12 ans le diabétique développe dans + 50% des cas des complications vasculaires
75 % des diabétiques meurent des complications de l’athérosclérose :• angine de poitrine et infarctus du myocarde (10 à 15 % des infarctus
surviennent chez les diabétiques)q )• artériopathie des membres inférieurs / accidents vasculaires cérébraux
Complications microvasculairesComplications microvasculaires
10 % des personnes dialysées, atteintes d’une maladie rénale sévère, sontdiabétiquesdiabétiques
L’amputation 5 à 10 % des diabétiques sont ou seront amputés del’orteil du pied ou de la jambe 1 million de personnes amputées dans le
Les troubles de la vision
l orteil, du pied ou de la jambe. 1 million de personnes amputées dans lemonde
Les troubles de la vision 2 % des diabétiques sont aveugles
10 % ont une baisse de l’acuité visuelle
DIABETES : glycémie à jeun ≥ 1,26 g/l
Pancréas
Îlot de Langerhans
Glucagon
Résistance à l’insuline (DT2)
Glucagon
InsulineCellule β
Insuline
GlucoseDéficit insulinique (DT1)
Muscle et TA : GLUT4 et captation glucose diminuent
Foie : production et sécrétionFoie : production et sécrétion glucose augmentent
Pathogenesis of Type 2 Diabetes
Genes
InsulinResistance
Alterations in expression Type 2expression
and/or function of genes and
t i
Type 2diabetes
proteins
Pancreatic
Environment
Isletdysfunction
Environment
Pathogenesis of Type 2 Diabetes
Genes Glucose intoleranceType 2 Diabetes
InsulinResistance
HypertensionCentral obesityType 2 Diabetes
Alterations in expression Type 2
Acceleratedatherosclerosis
Dyslipidemiaexpression
and/or function of genes and
t i
Type 2diabetesInsulin Resistance
proteins
PancreaticHepatic steatosis
gallstonesReproductive dysfunction
Environment
Isletdysfunction
Alzheimer’sneurodegeneration
Impaired longevity and some cancers
Environment
ACTIONS METABOLIQUE DE L’INSULINE
Pancreas
Cellules βCellules β
InsulineInsuline
résistance à insuline
Adipocyte foie Muscleadipocyte
Gl t t
foie muscle
Gl t t
LipogenèseTransport glucose Glucose production
GlycogenèseTransport glucoseGlucose transport
LipolysisGlucose production Glycogenèse
Glucose transport
glucoseAcides grasSang
ALTERATIONS TISSULAIRES ET HYPERGLYCEMIE
ÉHYPERGLYCÉMIE
Voie de la glycation
Voie des polyolsglycation polyols
Sorbitol et fructose Glycation des protéines
Formation des AGEsprotéines
ROSEffets osmotiques
Altérations des fonctions et duturnover des protéines
Production decytokine inflammatoires
Brownlee M. Metabolism. 2000;49(suppl 1):9-13; Greene DA et al. N Engl J Med. 1987;316:599-606; Sheetz MJ, King GL. JAMA. 2002;288:2579-2588
GLUCOTOXICITEL’H l é i iL’H l é i i ti lti l l é éti d’i lil é éti d’i liL’Hyperglycémie aigue L’Hyperglycémie aigue stimulestimule la sécrétion d’insulinela sécrétion d’insuline
L’HyperglycémieL’Hyperglycémie chroniquechronique diminuediminue lala sécrétionsécrétionL HyperglycémieL Hyperglycémie chroniquechronique diminuediminue lala sécrétionsécrétiond’insulined’insuline
Modification de l’affinité et du nombre Modification de l’affinité et du nombre de transporteurs GLUT de transporteurs GLUT 2 2 de la cellule de la cellule ββDéveloppementDéveloppement d’und’un stressstress endoplasmiqueendoplasmique surproductionsurproductiond’insulined’insulineProduction de radicaux libres (ROS)Production de radicaux libres (ROS)
Accumulation d’AGEAccumulation d’AGEAccumulation d’AGE Accumulation d’AGE
A court terme A court terme prolifération prolifération des cellules des cellules ββ
A long terme A long terme apoptose apoptose des cellules des cellules ββ
GLYCATION NON ENZYMATIQUEL’hyperglycémie chronique est impliquée dans la survenue descomplications macro et surtout microangiopathiques parl’intermédiaire de l’exacerbation de 4 voies métaboliques :
• la voie des polyols• l’activation des hexosamines• l activation des hexosamines• l’activation accrue d’isoformes de PKC• la glycation non enzymatique des protéines
Ces voies sont toutes intriquées et aboutissent à unstress oxydantstress oxydant
EXACERBATION DE 4 VOIES MÉTABOLIQUESGlucose
Polyol pathway
NADPH NADP+ NAD+ NADH
Sorbitol Fructose
Gluc 6-PPolyol pathway
Glucosamine 6 P UDP GIcNacGFAT
Fruct 6-PHexosamine pathway
Gln GluGlucosamine-6-P UDP-GIcNac
NADH NAD+
α-Glycerol-PDHAP DAG PKCGly 3-P Protein kinase C pathway
NAD+
α Glycerol PDHAP DAG PKC
AGE pathway
NAD
NADHGAPDH
O .-Methylglyoxal AGEs
1,3 Di-P-glycerateAGE pathwayO2
.-
adapted from M. Brownlee, (Nature 2001)OH
.
GLYCATION
«...Toutes les réactions fixant un sucre à uneprotéine ou à un peptide qu’ils forment ou non uneprotéine ou à un peptide, qu ils forment ou non uneliaison glycosidique.Le produit de la glycation est une glycoprotéine...»e p odu t de a g ycat o est u e g ycop oté eIUPAC-IUB Joint Commission on Biochemical Nomenclature,Eur J Biochem, 1986, 159, 1-6
Glycation enzymatique Gl l ti
Glycation non tiGlycosylation
(glycoprotéines)enzymatique(protéines glyquées)
processus pathologiqueprocessus physiologique
GLYCATION NON ENZYMATIQUE
Identifiée plus récemment chez l’homme :
augmentée au cours du diabète de type 2 (années 60-70)
«physiologique» à un niveau basal (années 70-80)physiologique à un niveau basal (années 70 80)
impliquée dans de nombreuses pathologies (depuis 90)
NéphropathiesRétinopathiesRétinopathiesNeuropathies (Alzeimer)
Rapport des références Medline passées de 10 en 1980 à 1600 en 2000
GLYCATION NON ENZYMATIQUE
La glycation concerneToutes les protéines de l’organisme :► Toutes les protéines de l organisme :
circulantes / tissulaires extracellulaires / intracellulaires
►
Toutes les molécules comportant des groupements aminés :ADN
►ADNLipides
Tous les intermédiaires métaboliques comme ceux de la► Tous les intermédiaires métaboliques, comme ceux de laglycolyse ou de la voie des polyols, peuvent réagir
►
La glycation est une réaction :Générale (in vivo/in vitro) - Irréversible et cumulativeQui procèdent en plusieurs étapes
GLYCATION NON ENZYMATIQUE
Réactions d’additions qui impliquent :
Groupements aminés d'une protéineComposants structuraux :
p pgroupement α-aminé de l'acide aminé N-terminalgroupement aminé d'un résidu de la chaîne protéique
►
► groupement aminé d un résidu de la chaîne protéique(ε-aminé de lysine, arginine)
►
U i l ( dé i é d' i l )Composants énergétiques
natifphosphorylé
Un ose simple (ou un dérivé d'ose simple)►► phosphorylé
oxydé►►
GLYCATION: PHASES PRÉCOCES
OH R-N
COH
kHC
R-NH2 +k1
k 1-1
CH2OH CH2OH
ProtéinesLipides
Oses :Aldoses,
Base de Schiff
Ac nucléiques (cétoses)
GLYCATION: PHASES PRÉCOCES
R-N R-NH OH
kHC
kHCH
OC
OH
k2k1
k 1
OR-HN
k-1ou
CH2OH CH2OH CH2OHCétosamine Aldosamine
Produits d’AmadoriBase de Schiff
(aldose) (cétose)
Produits d’Amadori(irréversible (HbA1C)
Base de Schiff(réversible)
GLYCATION: LES DIFFÉRENTES PHASESGlucose + R-NH2
heures
méthylglyoxal
Base de Schiff
joursProduits d’Amadori
méthylglyoxalglyoxal
jours
Produits intermédiaires de la glycation(aldéhydes réactives)
oxydations clivages
(aldéhydes réactives)
CML CELsemaines oxydations, clivages, pontages
CML ; CEL…Pentosidine
semainesmois
Produits avancés de la glycation(advanced glycation end products ou AGE)
GLYCATION DES PROTÉINES
Glucose
Glycolyse (Dégradation)B d S hiff
Pr NH2
Glycation
Glycolyse ( g )
Voie des Polyols
Base de Schiff
Produits d’AmadoriTrioses Phosphate d Amadori
(α-cétoaldéhydes)
Glyoxal Methylglyoxal 3-Deoxyglucosone
Advanced Glycated End products (AGEs)
PRODUITS AVANCÉS DE GLYCATION (AGEs)Caractérisés par une très grande hétérogénéité
1. Carboxymethyllysine2 Pyrraline
Caractérisés par une très grande hétérogénéité
2. Pyrraline3. Pentosidine4. Glyoxal-lysine-dimer
5. Methyl-glyoxal-lysine-dimer6. Lysylpyrropyrine7. Vesperlysine8. Dehydrofuroimidazole9. Crossline10.Imidazolone11.Glucosepan12 Crosspy12.Crosspy13.Crossline14.Imidazolone15.Glucosepan16.Crosspy
FACTEURS INFLUANT SUR LES RÉACTIONS DE GLYCATION
Facteurs physico-chimiquesp y q- pH- Température
Facteurs liés à la protéine- Concentration - Durée de vie- Caractères des groupements réactifs
( é )(nombre, accessibilité, environnement)
Facteurs liés à l'oseFacteurs liés à l ose- Nature de l’ose- Concentration
Réactivité des oses simples
Oses k1 (x103 mM-1 h-1)Oses k1 (x10 .mM .h )
Ribose 10,0Fructose 4,5Mannose 3,2X l 2 9Xylose 2,9Galactose 2,8Glucose 0 6Glucose 0,6
L l l’ d l i é ifLe glucose est l’un des oses les moins réactifs
(Bunn & Higgins, Science, 1982, 213, 222-244)
ACTIONS CELLULAIRES DES PRODUITS DE GLYCATION
L l ti é è d è é ti d l’ è t
GLYCATION
La glycation génère des espèces réactives de l’oxygène etfavorise le stress oxydant à tous les stades :
- produits d’Amadori
- produits intermédiairesp
- AGEs
Cette génération du stress oxydant peut se s’effectuer :
à partir des composés eux-mêmes
i t ti d’ t lé l (li id )par interactions avec d’autres molécules (lipides…)
EFFETS CELLULAIRES INDUITS PAR AGES
Alterations des interactions
Fonctions anormales des protéines plasmatiques
AGEs
AGE Recepteurs
glycation ROSg yIntracellulaire
ét ld h d↑NFκB Facteurs de croissance
C t kiα-cétoaldehydes Cytokinespro-inflammatoires
GlucosemRNA
Protéines
INTERACTION DES AGE RECEPTEURS MEMBRANAIRESMEMBRANAIRES
AGEs
Cellules endothéliales, musculaires, mésangiales, neurones, macrophages…
80 K-H Gal-3OST- 48 RAGEMSR
InternalisationTransduction
AGE-R1 AGE-R2 AGE-R3
Internalisationdégradation ?
TransductionFonction ?
MSR : macrophage scavenger receptor
RAGE : Receptor of Advanced Glycation End Products
Cellules endothéliales - cellules musculaires lisses - lymphocytes, monocytesneurones – PMN – fibroblastes – péricytes…
N-termLigand
L
CV
Domaine extracellulaire
C’Domaine transmembranaireDomaine intracellulaire (essentiel pour la transduction)
C t
Domaine transmembranaire
C-term
SignalGlycoprotéine 35 kDa
Signal
RAGE : DOMAINES FONCTIONNELS
VL
sRAGEdn-RAGE
CV
Extracellulaire C’ Nt-RAGE
Cytosol
RAGE Délétée domaine Délétée domaine Délétée domaineRAGE(forme complète)
Délétée domaine membranaire
Délétée domaine cytoplasmique
Délétée domaine variable
Localisation Membrane Soluble Membrane MembraneFixation du ligand + + + -
Transduction + - - -
ALTÉRATIONS STRUCTURALES DES PROTÉINES GLYQUÉES
Modifications de l’antigénicité- néo-antigénicité- perte d’antigénicité
Modifications du renouvellementaugmentation de la résistance à la protéolyse en raison de la formationaugmentation de la résistance à la protéolyse en raison de la formationdes liaisons croisées (adduits)
Altérations des interactionsAltérations des interactionsprotéiques protéines des matrices extracellulaires.
protéines-cellules : Modification des fonctions cellulaires production de cytokinesp yinflammatoires, stress oxydant, chimiotactisme…)
Altérations structurales des protéines glyquées
Inhibition des effets biologiques
i li- Hormones ou facteurs de croissance (insuline)- Peptides à activité antibactérienne (Lysozyme)
Inhibition d’activité enzymatique
- Aminotransférases (AST, ALT, G 6-PDH; 3 P-GLYDH;l ki )glucokinase….)
- Cu-Zn superoxyde dismutase
- Glutathion réductase, catalase
Effets physiopathologiques de l’axe AGE-RAGE dans la néphropathie diabétique
AGE
p p q
RAGECellules mésangiales, cellules tubules, podocytes
ROS, NFκB, MAPK PKC
VEGF MCP-1; ICAM-1; VCAM-1 AG II
activation desmacrophages
Hyperperméabilitéhyperfiltration
hyperfiltrationTGF-βCTGF
inflammationprotéinurie glomérulosclérose
Nephropathie diabétique
H O
GLYCATION DES PROTEINES
NH2
O[S hiff’ B ](CHOH)
CH O
H2C
C
NH ProteinsProteins
G
O[Schiff’s Base](CHOH)4
CH2OH (CHOH)3
C
Glucose CH2OH
Amadori products
GlucoseMethylglyoxal
AGEsTrioses-P Intracellular AGEs
Trioses-PRAGE
EFFECTS
INSULIN SIGNALING PATHWAY
IRInsulin
GlucoseAGEs DIABETIC
COMPLICATIONS
PY YP
YY
YY
PP
PP
IRSGlut4 ?
PI3K
YY
YY
PP
PP
S-14
SHCGlucose
YYP
Y PY P
P
PI3Kp85p110
Grb2 RasSOSP
PKCζ RafGlut4 PKCζ
PKB
mTORGS
MAPK(ERK-1/2)
Protein synthesisGlycogen synthesisProliferation
DifferentiationGlucose transport
Question : DO AGEs MODIFY INSULIN ACTION ?
Approches :
Etude des effets de l’albumine humaine glyquée (HGA) sur
les réponses biologiques induites par l’insuline au niveau
de cellules musculaires de rat (lignée L6)de cellules musculaires de rat (lignée L6)
Caractériser le mécanisme d’action de HGA
IRInsulin HGA
rat L6 skeletal muscle cells
IR
PY YP
Glucose
R
Glucose
YYY
YYY
PPP
PPP
IRS-1/
Glut4
PKCα
R
PI3Kp85p110
/2
Glucose
Y Y P
SHCPP
PKCα
S Pp85p110
Glut4
YY
Y PY P
Grb2PKCζ
PP
S P
S P
MAPK
PKB
GSMAPK
(ERK-1/2)
Glycogen synthesisGlucose transport
Proliferationdifferentiation
Question : DO MGO MODIFY INSULIN ACTION ?
Approches :
Etude des effets du méthylglyoxal sur les réponses
biologiques induites par l’insuline au niveau de cellules
musculaires de rat (lignée L6)musculaires de rat (lignée L6)
Caractériser le mécanisme d’action de MGO
Modulation of insulin action by glucose and derivatives
HIGH AGESPROTEINS
derivativesHIGH
GLUCOSEAGES
RAGERAGE
PKCα
PGLUCOSE
PS P
INSULIN ACTIONIRSFunction
S Y
INSULIN
TRIOSES-P MGO DegradationMGO
INSULINRESISTANCEMETHYLGLYOXAL (MGO)
La glycation des protéines est un processus dépendant de l’activation d’enzymesLa glycation des protéines est un processus dépendant de l activation d enzymes
Chez le diabétique, la glycation des protéines est une conséquence directe del’hyperglycémiel hyperglycémie
La glycation est un processus qui n’affecte que les protéines
La glycation est un processus strictement extracellulaire
RAGE est spécifique des AGEs. En conséquences les AGEs sont ses seuls ligands
P i l é t AGE l RAGE t bl d’i d i l’ ti ti dParmi les récepteurs aux AGEs, seul RAGE est capable d’induire l’activation devoies de signalisation en réponse à la fixation du ligand (AGE)
Les α-cétoaldéhydes ne sont générés qu’à l’intérieur de la cellule en réponse auxAGEs
L éth l l l t ét ldéh d d it à ti d’ i t édi i d lLe méthylglyoxal est un α-cétoaldéhyde produit à partir d’un intermédiaire de laglycolyse
L’efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines estL efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines estsupérieure à celle du fructose
Il n’existe qu’un nombre restreint de produits de glycation avancée
HbA1c est une forme glyquée de l’hémoglobine
La formation des produits d’Amadori est irréversible
La résistance à l’insuline est augmentée par l’action des AGEsg p
Les AGEs génèrent directement ou indirectement du stress oxydant