Métabolisme du fer, Physiologie et Pathologie
1
2019-2020
FACULTE DE MEDECINE
Biochimie et Biologie MoléculaireDr Katell Peoc’hHôpital Beaujon et Hôpital [email protected]
Plan
I. Fonctions du FerII. Stock et besoinsIII. Homéostasie du Fer à l’échelle cellulaire et de l’organismeIV. Exploration du métabolismeV. Carences martialesVI. Surcharges martiales
2
Objectifs
• Connaître le métabolisme physiologique du fer• Citer les principaux organes et acteurs de la régulation du fer dans
l’organisme• Citer les principales pathologies du métabolisme du Fer • Citer les techniques d’exploration du métabolisme du Fer
3
Quizz
• Le Fer, qu’est ce c’est?• Quelle importance en physiologie humaine?
4
5
I. Fonctions du Fer
Indispensable à toute forme de vie…Hèmoprotéines et protéines à centre Fe-S
•Transport d’oxygène •Réactions de transfert d’électrons
•Synthèse ADN, ARN, protéines
…Éventuellement Nocif
Catalyse la production de formes radicalaires de l’oxygène FRO
H2O2+ Fe2+à OH- + OH• + Fe3+
O2 + Fe3+ à + Fe2+ . - O 2
6
2 + 2 H+ à O2 + H2O2 - . O 2
•Cassures de l’ADN •Inactivation des enzymes
•Peroxydation lipidique
Fe3+Fe2+- e-
+ e-
•Respiration cellulaire
Cofacteur des nombreuses enzymes:•Oxydases, Catalases•Péroxydases, Cytochromes•Ribonucléotide réductases•Aconitases, NO synthéthases
- Réactions métaboliques oxydatives:
Centres fer/soufre
[2F:2S]
[3F:4S]
[4F:4S]
Aconitases
Ferredoxines
Hydrogenases
deshydrogenases
Cofacteur
Lipoxygenase
Phosphatase acide
Ribonucléotide réductase
Fonctions
- Hémoprotéines:
Hème
Hémoglobine
Myoglobines
Cytochromes
Enzymes oxydo-réduction
O2e-
7
Structure de l’hème (hémoglobine, myoglobine)
Protoporphyrine IXtétrapyrrolique
FER FERREUX
Histidine proximale
Histidine distale
O2
9
Structure de l’hémoglogine
10
Fe 3+Fe 2+
- Fer ferrique insoluble- Lié à des protéines de transport (Tf) +++
- Fer ferreux soluble et toxique +++- Production RLO via réaction de Fenton
Transport régulé du Fer
Transport non régulé du Fer
Porter, Am J Hematol. 2007;82:1136–39
11
Fer libre
Mort cellule Fibrose
Lésions organites cellulaires TGF-β1
RLO
Peroxydation lipides
LysosomesLibération enzymes
Synthèse collagène
Le Fer, indispensable à la vie et potentiellement toxique
Cohen et Porter. In Disorders of Hemoglobin: Genetics, Pathophysiology, and Clinical Management, Steinberg MH et al. (Eds); 2001:979–1027
12
è Métabolisme finement régulé mettant en œuvre de nombreuses protéines de transport ou stockage
Gozzelino et Arosio, Int J Mol Sci. 2016;17(1).
Fer: indispensable et potentiellement toxique
Excès de Fer = stress oxydant
13
II. Stock et besoins
Stocks et besoins en Fer
Stock 4 g (65% fer ferreux et héminique)Durée de vie 10 ansBesoins1 mg/j (Homme)2mg/J (Femme)3 mg/j (1er et 2eme trimestre degrossesse)20-30 mg/j (3eme trimestre)
-75 % du fer utilisés pour la synthèsed’hémoglobine-25% dans les hémoprotéines et lesenzymes non héminiques
14
Apports et Pertes
Apports Pertes
25-30 mg/j (recyclage principalement àpartir de l’hémoglobine dans lesmacrophages)
1 mg/jCutanées et rénales (35%)Digestives (65%)
20 mg/j en cas d’alimentation équilibrée10-20% absorbé (duodénal++ ; jéjunal+)Ferreux>>Ferrique ; animal>> végétal(majoritairement non héminique,inorganique)
15
16
III. Homéostasie du Fer à l’échelle cellulaire et de l’organisme
Triple équilibre
17
Stock total Distribution Forme chimique
Différents types de Fer
• Fer plasmatique: Transferrine• Fer cellulaire • Fonctionnel: principalement lié à l’hème• De transit : pool labile de Fer• De stockage : Ferritine
18
Cycle du fer
19
1
2
Premier site d’utilisation : Moëlle osseuse
Rate
Tf
TfRedistribution Tf
Tf ÉrythrocytesMoelle osseuse
TfR1
Érythropoïèse
Tf
Macrophages
Ft
Hb
Foie
Homéostasie du fer
2500 mgMuscles
Pertes
Stockage Recyclage
Circulation
Plasma : 1 mg/L
Plasma : 20-30 mg/j
1-2 mg/j
Efflux
Fer alimentaire
AbsorptionEnterocytes
20
Fer héminique Fe++, ferreux, réduit10% bol alimentaire 1/3 du fer absorbé car mieux absorbé
Fer non-héminique Fe +++, ferrique, oxydé: 90% apports 2/3 fer absorbé
Apports: 2 mg/j environviandes >> légumes
21
Absorption intestinale: seule entrée du Fer exogène
Facteurs intervenant dans l'absorption intestinale du fer non héminique
● Facteurs inhibants : polyphénols, tanins (thé, etc.), phytates, calcium et fibres alim. ● Facteurs favorisants : vitamine C, consommation associée de viande ou de poisson.
Villosité duodénale
HFE
Fe(II)
Fe(II)
Fe(III)
Dcytb
DMT1Ferroportine
Héphaestine
Fe(II)
Fe(III)
Apo Tf
Fe(III)-Tf
Ferritine
Absorption : duodénum et haut jéjunum
rTf
22
DMT1 divalent metal transporter 1 ou SLC11a2Dcytb duodenal cytochrome B
Entérocyte villositaire
Cellule cryptique
Fer non héminique
Fer héminique
HCP1 (heme carrier protein 1)HFE High Fer
HCP1
Fer et foie : stockage, circulation, régulation
23
1
Fer et macrophages : recyclage
24
5 million GR sénescents /sec
Chaque GR contient 1.2 billion hèmes
Macrophages
>90% du fer de l’organisme recyclé par erythrophagocytose
[5x106]x[1.2x109] hème/sec
GR Senescent
Erythrophagocytose
phagocytic receptors MaturationPhagosomale
FeFe 2+
Fe2+
HMOXFerroportine
FeFerritine
?
ceruleoplasmine
Fe3+
La sénescence des GRs110-120 JOURS
v Antigènes de sénescence
v Oxydation lipides membrannaires
25
Fer et moëlle osseuse : utilisation
26
Macrophage
FPN
Ferritine
Protéines de transport
Principaux acteurs du métabolisme du fer
Fe3+Ft
Fe2+
Fe3+ Fe2+
HEPH
HCP1Hème Hème
HO-1
DCYTBFPN
DMT1 divalent metal transporter 1FPN ferroportine (SLC40A1)Tf transferrineFt ferritine
Tf
Tf
Entérocyte
27
Transferrine (3q21 )
b1Glycoprotéine avec deux sites
de fixation de Fe3+
Transport de fer dans le plasma
Récepteur à la transferrine I (3q29)
Glycoprotéine dimérique transmembranaire
avec 2 sites de fixation de Tf
Majoritairement erythroïdeRécepteur à la transferrine II (7q22)
66% d’homologie
Expression majoritairement hépatique
Transport sérique du fer : le système transferrine /récepteur à la transferrine
28
Transport plasmatique du Fer
• Transferrine usuellement saturée à 30%• Capacité Totale de Fixation du Fer par la transferrine (µmol/L) = 25 X Transferrine
(g/L)• Coefficient de saturation de la transferrine (CS) = (Fer sérique µmol/L /CTF
µmol/L ) x 100 • Capacité latente de fixation (CLF) : nbre de sites libres
• Hémopexine et haptoglobine (Fer heminique)• Fer non lié à la transferrine
29
Récepteur soluble à la transferrine
• Forme tronquée monomérique circulante du récepteur • Reflet du statut martial et de l’érythropoiëse• Augmenté en cas de déficit martial, indépendant du statut inflammatoire
30
Y
Y
Pool de ferlibre
Y
Y Y
Y
YY
Récepteurs à la transferrine
YY
Fe 3+
Apo-IRP [4Fe-4S]-IRP
Hétéropolymères de ferritine
YY
endosome
Apo-Tf
DMT1
H +V-ATPase
3+Fe -Transferrine - 3+Fe
Capture, transport et stockage du fer dans la cellule
Mitochondrie
Endocytose?
FrataxineMitoferrine
Fe 2+
31
Système IRE/IRP ; régulation post-transcriptionelle
Régulateurs intracellulaires
HèmeFe2+
Tf
Tf
TFR1
mitochondries
endosomes FPN
ferritine
FeIIFe3+
Fe2+
DMT1
Fe3+
mitoferrine
IRP1/2
ATPase H+H+
Fe 2+
Fe2+
FPN
T : transferrine; FPN : ferroportine (SLC40A1)TFR1 : transferrin receptor 1; DMT1 divalent metal transporter 1 32
33
La protéine cytosolique IRP (ironregulatory protein) se lie ou non à
une séquence tige-boucle d’un ARNm = IRE (iron responsive
element)
La régulation par le couple IRP-IRE dépend directement
du pool labile en Fer
Système IRE/IRP
Apo-IRP
[4Fe-4S]-IRP1
Pool de ferlibre (Fe2+)
Répression de la traduction des ARNm ferritine
X
Traduction des ARNm ferritine
Dégradation des ARNm du récepteur transferrine
par endonucléasesStabilisation des ARNm du récepteur transferrrine
Interaction IRE/IRP et conséquences fonctionnelles
34
IRE en 5’
IRE en 3’IRE en 3’
IRE en 5’
35Loréal et al., Revue Francophone des Laboratoires, 2012, 442 : 31-7
Régulation post-transcriptionnelle IRE/IRP
é Fer intra cellulaire
é Ferritine
ê RTf
ê Fer intra cellulaire
ê Ferritine
é RTf
35
ARNm Position d’IRE
H ferritine 5’
L ferritine 5’
Ferroportine 5’
Phosphatase acide 5’
eALA-S 5’
Aconitase 5’
Hexokinase III 5’
MRP 5’
Uracile ADN phosphotase 5’
r-Tf 3’
DMT1 3’
Aminopeptidase A 3’
K-Cl co-transporteur 3’
GA
U
NC
C
G
N-NN-NN-NN-NN-N
N-NN-NN-NN-NN-N
H ferritine
eALA-S
r-Tf
DMT1
Iron responsive element (IRE) Régulation post-transcriptionnelle
par le fer
36
M V
O NH
M P P M M V
CH
NH
CH2
NH
CH
NH
O
NADPH + H+
NADP+
Biliverdine réductase A (BVRA)
Bilirubine
M V
O NH
M P P M M V
CH
N CH
NH
CH
NH
O+ CO
HèmeNADPH + H+
H2O + NADP
Fe2+
Hème Oxygénase(HO)
Biliverdine
O2 Cytochrome P450 réductase
37
Dégradation de l’Hème
• Coquille protéique creuse: hétéropolymère de 24 su (H et L, 50% homologie)
• Noyau ferrique : jusqu’à 4500 atomes de fer par molécule• Hépatocytes : stockage fer absorbé au niveau duodénal• Macrophages de la rate, du foie, de la moelle osseuse : fer
recyclé héminique
• Régulation post transcriptionelle via le système IRE et au niveau transcriptionel via un élément de réponse antioxydant (ARE)
Stockage du fer : ferritine
38
Activité ferroxydase - Catalyse Fe2+ Fe3+
Contrôle le pool de fer libre et joue un rôle dans ladéfense contre le stress oxydatif
--
La sous-unité H ferritine :
La sous-unité L ferritine facilite la formation du noyauferrique à l’intérieur de la molécule de ferritine
Pas de redondance fonctionnelle entre les deux sous-unités
L’inactivation des deux allèles H ferritine chez la souris(HFt -/-) est léthale entre 3,5 et 9,5 jours de développementembryonnaire
Structure et fonction de la ferritine
39
Structure des isoferritines
sous-unité Lsous-unité H
Distribution tissu-spécifique
FoieRate
CoeurErythroblastes
Cellules cancéreuses40
Ferritine sérique
• Valeurs normales: 20 à 300 µg/L environ
• Propriétés: Contient peu de ferPartiellement glycosyléeComposée principalement de sous-unité L
•Causes d’élévation – Surcharge en fer génétique ou secondaire
– Etats inflammatoires et infectieux– Syndrome cataracte-hyperferritinémie– Autres: cancer…
41
Hémosidérine
• Forme de stockage du fer• Grande analogie de structure avec la ferritine• Système reticulo histiocytaire et macrophages hépatiques• 35-40% de Fer • Forme à libération très lente
42
Coloration de Perls sur une biopsie hépatique d’un patient atteint d’hémochromatose
Rate
Tf
TfRedistribution Tf
Tf Érythrocytes
TfR1
Érythropoïèse
Tf
Macrophages
Ft
Hb
Foie
2500 mgMuscles
Pertes
Recyclage
Circulation
Plasma : 1 mg/L
Plasma : 20-30 mg/j
Absorption1-2 mg/j
Hepcidine
Hepcidine
Stockage
Efflux
Fer alimentaire
Enterocytes
Hepcidine: hormone hyposidérémiante systémique
FPN
43
44
L’hepcidine est au métabolisme du fer ce que l’insuline est au métabolisme du glucose.
L’erythroferrone serait le glucagon.
Take home message
Jordan et al., J Biol Chem 2009
Hepcidine, régulateur central de l’homéostasie du fer
Découverte en 2001 hepatic bactericidal proteinSynthétisée par le foiePré-pro-forme de 85 AAPeptide mature de 25 AA sécrété dans le plasma et rapidement éliminé dans les urinesPeptide bactériostatique
WT
Viatte et al., Blood 2005
Hepcidine-/-45
46
TfHfe
BMP6Hjv
P-SMAD 1,5,8
HAMP1
MT2
TfR2
IL6JA
K/STAT3
Inflammation
Carence en fer
Surcharge en fer
Anémie, Hypoxie
ErythropoïèseEPO
SMAD 4
TfR1
Tf
BMP6
?
BMPR
ActivineB
HEPCIDINE surexprimée
HEPCIDINE réprimée
Régulation de la synthèse de l’hepcidinehépatique
BMPR
MT2: matriptase 2Hjv: hémojuvélineHFE: « High Fe » proteinBMP: bone morphogenetic protein
HAMP1 : gène Hepcidine
Régulation de l’hepcidine
47
Lefebvre et al, 2017
Mode d’ac)on de l’hepcidine au niveau macrophagique
1- Inhibition du recyclage du fer héminique par les macrophagesInternalisation de la ferroportine (FPN)
Sénescencedes GRs
HèmeHO1
FTFPN
hepcidine
-
48
Internalisation de la ferroportinesous l’action de l’hepcidine
FPN
Mode d’action de l’hepcidine au niveau intestinal
2- Inhibition de l’absorption intestinale par interaction avec la ferroportine (FPN) etinternalisation du cotransporteur DMT1 (divalent metal transporter1, Nramp2)
hepcidine
-
Absorption
Enterocytes
FPN
?
FT
Cellues CACO2 transfectées par DMT1 ou FPN
49
Erythoferrone
50
Kautz, 2014
51
IV- Exploration du métabolisme
Exploration du métabolisme du fer
FerritineTransferrineFerCTFrsTFHepcidine?
IRMHistologie : coloration de Perls, sidéroblastes, ME
Vérifier le statut inflammatoire
52
Biologique Imagerie ou Histologie
53
Foie Normal (Signa 1,5T)
IRM et surcharge en Fer
Faible surcharge (chf=50µmol/g, Signa 1,5T)
Copyright - Yves Gandon - Imagerie Médicale -Rennes
Valeurs usuelles
Examen Valeurs usuelles
Fer Homme 10 - 30 µmol/LFemme 9 - 29 µmol/L
NNé 10-36 µmol/L2 mois-15 ans 11-24 µmol/L
Transferrine Adulte 2 - 4 g/LNNé 1,6-1,8 g/L
Ferritine Homme 20 - 300 µg/LFemme 15 - 150 µg/L
Nouveau-Né 50-400 µg/L6 mois -15 ans 15-80 µg/L
Hepcidine 1-20 ng/mL (LC-MS-MS)
54
55Beaumont et Delaby, Semin Hematol. 2009; 46(4):328-38
ê Ferê Synthèse Hb
Anémie microcytairehypochrome
ê Transport de l’O2
ê Ferê Capacité oxydative
tissulaire
+
= ê capacité de travail (efficience E, endurance...)
=
Utilisation du fer par les cellules et impact des carences
Pathologies du métabolisme du Fer
• Associées à une dérégulation de l’hepcidine• Diminution
• Innées• Acquises
• Augmentation• Innées• Acquises
• Autres
56
Anémie microcytaire Carence en fer
Iron Refractory Anemia IRIDA
Fe
HémochromatoseAnomalie qualitative ou
quantitative
Anémie inflammatoireAugmentation de l’hepcidine
Pathologie de la régulation de l’Hepcidine
Hepcidine
57
Insuffisance hépatiqueHépatite C
Alcool
Anémie microcytaire hypochrome
Dosage de ferritine sériqueCRP
Ferritine sérique abaisséeTransferrine augmentée
CTFT augmentéeCST diminué (<15%)
Diminution du Fer sérique
Carence martiale
Anémie normocytaire hypochrome
Ferritine sérique normale ou augmentéeCRP augmentée
Transferrine augmentéeCTFT abaissée
CST normalDiminution du Fer sérique
Anémie inflammatoire
Dosage Hepcidine, RsTF
Ferritine sérique normale ou augmentéeCRP normale
Thalassémie, anémie rares, anomalies fonctionnelles
58
Anémie hypochrome
Principales étiologies des carences martiales
Hémorragie chronique
• Pertes gynécologiques
• Pertes digestives (dont gastrites médicamenteuses)
• Dons de sang répétés
59
Insuffisance d'apport
• Grossesses rapprochées / Allaitement• Alimentation pauvre en fer• Anorexie mentale• Malabsorption• Consommation excessive de thé• Prise fréquente de protecteurs gastriques• Maladie cœliaque / MICI/ Gastrites• Gastrectomie, Résection de grêle
Diagnostic de carence martiale
60
Mais le coefficient de saturation de la transferrine est plus informatif en casd’inflammation (CRP)
Signes biologiques de l’évolution de la carence martiale
Fer Transferrine Ferritine
Anémie Latente N N 15 - 25 µg/L
Anémie Débutante diminué + augmentée + 5 - 10 µg/L
Anémie Clinique diminué ++ augmentée ++ < 5 µg/L
61
Anémie inflammatoire
• Carence relative et non absolue en Fer liée à une rétention dans le système macrophagique et à une diminution de l’absorbtion en fer.• Liée à une augmentation de la secrétion d’hepcidine• Le traitement par Fer est inutile tant que l’inflammation n’est pas
maitrisée
62
NON SIDEROBLASTIQUESIDEROBLASTIQUE
Non syndromique DMT1
Diagnostic différentiel : thalassémie, maladie coeliaque
Anémie microcytaired’origine génétique
Syndromique IRIDA ouTMPRSS6
STEAP3
Elevation de la ferritinémie sériqueModérée (500-1000µg/L) ou forte (>1000µg/L)
CFT et Transferrine normales ou diminuéesCS augmenté voire très augmenté (>80%)
Augmentation du Fer sérique
Hémochromatose Type 1
Mutation d’HFEp.C282Y Homozygote
Surcharge acquise
Hépatosidérose dysmétabolique
Acéruloplasminémie
Transfusions massives, ect
Etude génétiqueRecherche des mutations du gène HFE
Autres
Hémochromatoses
CFT normaleCRP Normale
IRM hépatiqueRecherche d’une surcharge en Fer
Maladie de
Gaucher
64
Elévation de la ferritinémie
65
Hémochromatoses Héréditaires
Autosomale récessive
Autosomal dominant Ø Type 4 a, b: Mutations Ferroportine
Ø Type 1: Mutations HFE (p.C282Y)
Ø Type 3: Mutations TfR2
Ø Type 2: Hémochromatoses Juveniles 2a: Chr1q24
2b: Chr19q13.12HémojuvélineHepcidine
Conséquence d’un défaut de production d’Hepcidine
Conséquence d’un défaut des effecteurs
Autosomal récessif ØMutations Céruleoplasmine
67
Hémochromatoses Héréditaires
Type Anomalie génétiqueMutation gène codant pour
Transmission Clinique
I
HFE– C282Y/C282Y (90 à 92 %)– H63D/H63D (1 à 2 %) – C282Y/H63D
(5 %) – autres mutations de HFE
RécessiveHémochromatose héréditaire classique (> 95 % des cas)Faible pénétranceExpression inconstante et tardive
II Hémojuvéline Récessive
Hémochromatose juvénile de type IIASujet jeune < 30 ansPénétrance ++Atteinte cardiaque et hypogonadisme
HepcidineHémochromatose juvénile de type IIBPénétrance ++Phénotype très sévère
IIIRécepteur de la transferrinede type 2 (TFR2)
RécessiveExceptionnelleManifestations identiques à cellesde l’hémochromatose classique
IV Ferroportine 1 DominanteFerritine élevée contrastant avec la normalité du CS-Tf Dominante macrophagique de la sidéroseTolérance médiocre des saignées
V H-Ferritine Dominante 1 famille japonaise
VI L-Ferritine DominanteFerritine élevée« Syndrome hyperferritinémie-cataracte héréditaire »
Hémochromatose Type 1 liée à HFE
Ø Surcharge en fer progressive
Ø Défaut de régulation de l’absorption intestinale du fer
Ø Complications de la surcharge en fer: multiorgane
Fibrose cirrhose cancer du foie
Diabète
Insuffisance cardiaque
Arthropathies, mélanodermie…
Traitement: saignées / chélateurs oraux
69
Le déficit en fer cellulaire entraine une hypofixa5on de l’IRE sur l’IRP conduisant, d’une part, à la diminu5on de la ferri5ne (protéine de stockage) et, d’autre part, à une augmenta5on du TFR1 (protéine d’import cellulaire du fer). L’augmenta5on de la charge cellulaire en fer produit les effets inverses.
Take home message
70
Le foie est un organe majeur du métabolisme du fer : il pro-duit protéines de circula8on (transferrine), de régula8on(hepcidine) et de stockage (ferri8ne).
Take home message
71
Le déficit en fer circulant diminue la produc3on d’hepcidine, laquelle accroît l’absorp3on diges3ve du fer et la libéra3on du fer splénique provenant de l’érythrophagocytose. L’augmenta3on du fer circulant produit les effets inverses.
Take home message
Pour conclure
• Le fer plasma+que sert avant tout à la synthèse de l’hémoglobine des globules rouges.
• La transferrine permet au fer de circuler dans le plasma sans être toxique.
• La ferri+ne permet au fer d’être stocké dans la cellule sans être toxique.
• L’hepcidine, produite par le foie, est l’hormone de régula+on de la biodisponibilité́ du fer dans le plasma.
• La ferropor+ne est le seul exporteur iden+fié du fer cellulaire non héminique, et la cible de l’hepcidine qui contrôle son ac+vité.
• L’érythroferrone, produite par les érythroblastes, est une hormone qui diminue l’hepcidine.
• Les désordres du métabolisme du fer conduisent à des pathologies de surcharge ou de déficienceen fer, géné+ques ou acquises
72
Pour aller plus loin
• Brissot et al. Métabolisme du Fer. 2015. EMC Endocrinologie Nutrition• Daher et al. Iron metabolism and the role of the iron-regulating
hormone hepcidin in health and disease. Presse Med. 2017.•
73
hFp://www.lactualitechimique.org/Ressources/AC-Decouverte/Les-chelateurs-du-fer-pour-le-traitement-du-cancer-ou-en-sommes-nous
https://www.youtube.com/watch?v=-WdpON57xF0
hFps://www.youtube.com/watch?v=fGJ9-bqxHJg