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Physiologie du fer : application à l’hémochromatose

(seule l’hémochromatose HFE sera abordée)

Julien LAZARTIGUES, DES HGE Rouen12/04/13

1

Plan

• I) Métabolisme général du fer

• II) Absorption du fer au niveau entérocytaire et système réticulo-endothélial

• III) Rôle de la protéine HFE au niveau des entérocytes

• IV) Rôle de l’hepcidine

• V) Régulation de la synthèse de l’hepcidine dans l’hépatocyte

• VI) Conséquence de la surcharge en fer au niveau de l’hépatocyte

• VII) Synergie Fer - Ethanol

• VIII) Bibliographie

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I) Métabolisme du fer

Pool plasmatique du fer

Transferrine

Absorption fer 1 à 2 mg/jour

Pertes de fer 1 à 2 mg/jour

Foie

MoëlleOsseuse

GR

MuscleMacrophage

d’après Bouizegarène P. et al Les hémochromatoses héréditaires : partie II. L'hémochromatose héréditaire liée au HFE (HFE1) Immuno-analyse & Biologie

Spécialisée 2006

3Fer libre

Fer absorbé sous forme héminique (ex : viande rouge) ou sous forme non héminique (ex : céréales) au niveau du duodénum et de la partie proximale du jéjunum.

Après absorption par les entérocytes, le fer est transporté dans le sang par la transferrine (qté de fer lié à la transferrine négligeable=0.003g=3mg).

Au total 4g de fer dans l’organisme : la majorité : environ 2.1g est utilisé pour l’érythropoïèse (0.3g) ET l’hème des GR (1.8g).Les GR sénescents sont phagocytés par les macrophages qui recyclent le fer contenu dans l’hème (fer stocké dans les macropahges=0.6g). 1g de fer est stocké dans le foie sous forme de ferritine. 0.3g est stocké dans les muscles (nécessaire pour les réactions enzymatiques).

Pertes fécales (exfoliation entérocytes) et urinaires chez l’homme et menstruelles en plus chez la femme.

EXCRETION de FER NON CONTROLEE, CONTROLE FIN de l’ABSORPTION

II) Absorption du fer non héminique au niveau entérocytaire

Lumière intestinale

Sang

Ferritine

Fe3+ Fe2+DCytb

Fe2+Fe2+

Hephaestine

Céruloplasmine

Fe3+

Entérocyte

Transferrine

Ferroportine

Utilisation

DMT1

4

d’après Fleming RE, Britton RS, Waheed A, Sly WS, Bacon BR. Pathophysiology of hereditary

hemochromatosis. Semin Liver Dis. 2005;25:411–419

Le fer non héminique (=inorganique) est absorbé à partir de la lumière intestinale dans l’entérocyte où il peut être stocké sous forme de ferritine dans l’entérocytes ou être transporté vers la partie basolatérale de la cellule puis dans le plasma.

Le fer non héminique est dans la lumière intestinale sous forme ferrique (Fe3+) : insoluble et non digestible. Nécessité d’être réduit en fer ferreux (Fe2+) par une hémoprotéine à activité ferriréductase (Dcytb= duodenal cytochrome b réductase=cytochrome b réductase=CYBRD1).

Après réduction, le fer est absorbé dans la cellule par une protéine transmembranaire (DMT1).

Puis le fer peut être stocké sous forme de ferritine, être utilisé par la cellule ou être exporté dans le plasma à partir de la membrane basolatérale de l’entérocyte.

Exportation du fer dans le plasma par la ferroportine (perméase membranaire) et l’héphaestine (ferroxidase contenant du cuivre transformant Fe2+ en Fe3+). L’héphaestine est l’homologue de la céruloplasmine (oxydase contenant du cuivre assurant la même fonction dans les autres cellules, retrouvée au niveau du plasma).

II) Système réticulo-endothélial

GR

HbFe2+

H-O2

Fe2+

Macrophage

Céruloplasmine

Fe3+

Transferrine

R-GR

CD163

HbHaptoglobine

Ferritine

5

Ferroportine

d’après Fleming RE, Britton RS, Waheed A, Sly WS, Bacon BR. Pathophysiology of hereditary

hemochromatosis. Semin Liver Dis. 2005;25:411–419

En moyenne chaque jour la moelle sanguine utilise 24mg de fer pour produire 200 10*6 GR/jour. Fer en grande partie recyclé à partir des GR grâce aux macrophages du système réticulo-endothélial par phagocytose des GR dans le foie, la rate et la moelle.

A la fin de sa vie soit, le GR éclate dans le sang et libère l’Hb.Une partie de l’Hb se fixe à l’haptoglobine soit pour être éliminée dans le foie soit pour se fixer sur le récepteur CD163 (hemoglobin scavenger receptor) présent sur les macrophages et les monocytes.

Aussi, les GR sénescents sont phagocytés par le macrophage après fixation sur le récepteur des GR (R-GR). L’Hb est libérée après lyse par l’érythrophagosome.

Une faible partie de l’hémoglobine est fixée par l’hémopexine dans le sang puis se fixe sur un récepteur de l’hémopexine sur les hépatocytes, mais aussi sur les macrophages et les monocytes. Mais cela est en faible qté en conditions physiologiques.

Une fois dans le macrophage, l’hémoglobine est digérée par protéolyse par l’hème oxydase (dont il existe 3 isoformes H-O2 1, 2 et 3, H-O2 1 étant la forme prédominante pour le catabolisme de l’hème).Hb->Biliverdine (=précurseur de la bilirubine) + CO + Fe2+ (seul le Fe2+ est représenté sur le schéma pour des raisons de clarté).

Puis : Une partie du fer est stockée dans le macrophage sous forme de ferritine. Une autre partie du fer est relarguée dans le plasma sous forme de Fe3+ (obtenu après action de la céruloplasmine). Le Fe3+ va sortir de la cellule via la ferroportine et va ensuite se lier à la transferrine.

A noter que les macrophages peuvent aussi capter le fer fixé sur la transferrine après fixation sur le RTf (en conditions physiologiques, cette captation est faible voire nulle).

III) Rôle de HFE au niveau entérocytaire

B2M

Membrane Plasmique

HFE B2M HFEm

Sang

Cytoplasme

RTf1RTf1

6

Entérocyte

La protéine HFE est une molécule HLA de classe I non classique. la protéine HFE s’associe avec le récepteur de la transferrine, facilitant ainsi l’endocytose du complexe fer-transferrine et modulant la quantité de fer reçue par les cellules. HFE est associée à la béta2microglobuline permettant de prévenir sa dégradation.L’association de HFE au RTf1 favorise l’absorption du complexe Fer-transferrine.

La mutation Cys282Tyr (tyrosine remplacée par une cystéine) de la protéine HFE entraîne la rupture de ponts disulfures, empêchant l’interaction de HFE avec la béta 2 microglobuline. 1) La protéine HFE mutée sera par conséquent dégradée plus rapidement (n’est plus liée à la béta2Microglobuline) => diminution de son expression à la surface de l’entérocyte. 2) La mutation empêche l’association entre HFE et RTf1. Cela entraîne une diminution de l’absorption de fer plasmatique associé à la transferrine au niveau de la cellule (HFE favorisant l’absorption du fer en facilitant la liaison Holotransferrine et RTf1).

Rappels sur le CMH : CMH I = ubiquitaire (sur ttes les cellules nucléées de l’organisme). Formé par une chaîne alpha et la béta 2 microglobuline. Le peptide se loge dans la poche de la chaîne alpha. Reconnaissance du complexe CMH peptide par lymphocytes T CD8. Si pas de reconnaissance => destruction de la cellule par les lymphocytes NK.CMH II = uniquement sur les cellules présentatrices d’antigènes.

III) Rôle de HFE au niveau des cellules cryptiques


Sang

HFE

+

FeFe

Migration et différenciation cellulaire

Entérocyte mature

Cellule cryptique

DMT1

DMT1RTf1

7

Ferroportine

d’après Flemming RE et al. , Annual review of physiology 2002; 64:663-80

Cellules indifférenciées présente dans les cryptes de Lieberkuhn se différencient en entérocytes lors de leur migration vers le pôle apical des villosités intestinales en 2-3jours puis sont éliminées par exfoliation. Deviennent matures à mi parcours. Les cellules indifférenciées n’expriment pas DMT1 et jouent le rôle de détecteur de fer plasmatique.

RTf1


Sang

HFEm

+

FeFe

Migration et différenciation cellulaire

Entérocyte mature

Cellule cryptique

DMT1

DMT1

d’après Flemming RE et al. , Annual review of physiology 2002; 64:663-80

8

Ferroportine

III) Rôle de HFE au niveau des cellules cryptiques

sans HFE, la cellule cryptique absorbe difficilement le fer plasmatique=> lors de sa maturation elle croit qu’il n’y a pas assez de fer dans l’organisme, par conséquent après différenciation elle absorbe le fer intestinal +++

IV) Rôle de l’hepcidine

Entérocyte

Ferroportine

Ferroportine

Ferroportine

Macrophage

Ferroportine

P

Ferroportine

P

Ferroportine

P

P

1 1

2

34 4

9

L’hepcidine inhibe l’acticité de la ferroportine en : 1) fixation de l’hepcidine sur la ferroportine2) phosphorylation de la FPN 3) internalisation 4) dégradation=> au niveau de l’entérocyte : diminution du transfert de fer vers le plasma=> au niveau du macrophage : idem

Foie

sang

Duodénum

Macrophage

Hepcidine Holotransferrine

Ferroportine Fer 10

IV) Rôle de l’hepcidine : sujet sain

d’après Babitt J. L., M.D., and Herbert Y. Lin, M.D., Ph.D. The Molecular Pathogenesis of Hereditary

Hemochromatosis, 2011

Le niveau de fer est détecté au niveau du foie via la veine porte par la qté d’holotransferrine (fer -fer-Tf) et le foie adapte alors la sécrétion d’hepcidine. Lors de l’absorption de fer, le foie synthétise de l’hepcidine et entraîne ainsi une diminution de l’expression de la ferroportine au niveau des la membrane plasmique des entérocytes et des macrophages diminuant ainsi l’export de fer vers le plasma.Le RTf2, BMP, Hémojuvéline, HFE sont extrêmement importants au niveau hépatique pour la détection et surtout l’activation du gène HAMP (=gène de l’hepcidine). Cf diapos précédentes.

Foie

sang

Macrophage

Hepcidine Holotransferrine

Ferroportine Fer d’après Babitt J. L., M.D., and Herbert Y. Lin, M.D., Ph.D. The Molecular Pathogenesis of Hereditary

Hemochromatosis, 201111

IV) Rôle de l’hepcidine : sujet atteint d’hémochromatose

En cas de mutation du gène HFE ou d’un autre régulateur du gène HAMP (Hémojuvéline, BMP, RTf2), il y a une diminution de l’expression de l’hepcidine et un excès de ferroportine, par conséquent un export excessif de fer vers le plasma.

Cela entraîne donc une augmentation du taux de fer plasmatique et de la saturation en transferrine => augmentation du CST Il y a ensuite un excès de stockage de fer => augmentation de la ferritine.

V) Régulation de la synthèse d’hepcidine

Augmentation du taux de fer plasmatique

Médiateurs de l’inflammation

ErythropoïèseAnémieHypoxie

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L’hepcidine est un peptide de 25 aa synthétisé au niveau hépatique à partir du gène HAMP d’abord identifié comme un peptide antimicrobien. Puis, on a découvert que le taux d’ARNm de l’hepcidine était augmenté lors de l’absorption de fer alimentaire. Puis, découverte fortuite que les souris KO pour le gène de l’hepcidine développaient un phénotype de type hémochromatose. Aussi, la surexpression de l’hepcidine entraîne une anémie sur déficit en fer qui peut être traitée par l’apport de fer parentéral mais non PO.

Les facteurs régulant l’absorption en fer (fer plasmatique, érythropoïèse, le taux d’hémoglobine, la saturation en O2 et l’inflammation) régulent aussi l’expression de l’hepcidine. L’absorption intestinale en fer est inversement proportionnelle à l’expression d’hepcidine.

Inflammation est un facteur favorisant de l’hepcidine car ce serait pour stocker le fer à l’écart des pathogènes et limiter la progression des infections.

L’érythropoïèse inhibe la synthèse d’hepcidine par trois facteurs combinés : la diminution du taux de fer plasmatique, l’hypoxie tissulaire (due à l’anémie) et la libération de facteurs de régulation de la moëlle osseuse qui inhibe l’expression de l’hepcidine.

L’hypoxie (même sans anémie) est un inhibiteur de l’expression d’hepcidine. Les mécanismes moléculaires ne sont pas encore bien connus mais feraient intervenir le facteur HIF.

Membrane Plasmique

V) Régulation de la synthèse d’hepcidine dans l’hépatocyte : sujet

sain

RTf1RTf2

Sang

HFETransferrine

Cytoplasme

BMP

HJV

BMPR

13

HépatocyteHJV Hémojuvéline

BMPBone Morphogenetic

Protein

d’après Siddique A, Kowdley, Review article: the iron overload syndromes. KV. Aliment Pharmacol Ther. 2012 Apr;35(8):876-93

One model proposes that TFR1 in the liver serves to sequester HFE under conditions of low circulating iron levels, and that HFE is displaced from TFR1 by holotransferrin when circulating iron levels increase due to increased dietary uptake.97 The displaced HFE is then allowed to interact with TFR2 and transferrin, and somehow this complex generates a signal to upregulate hepcidin expression.

Sur la membrane plasmique de l’hépatocyte, on retrouve RTf1, Récepteur pn BMP (BMPR), Récepteur à la transferrine 2 (analogue de RTf1 mais exprimé seulement sur les hépatocytes) et hémojuvéline.

Le Récepteur à la Tf1 a un site de fixation pour HFE et un autre site de fixation pour l’holotransferrine (Tf + 2 fer). Mais ces deux sites de fixation se chevauchent (IMPORTANCE du chevauchement).

Lorsque le fer est en faible qté, il y a peu d’holotransferrine, donc il va y avoir préférentiellement la fixation d’HFE.

Le recepteur Tf1 à une faible affinité pour la transferrine et une forte affinité pour l’holotransferrine (Tf +2 Fer). Quand la concentration en fer augmente et donc la qté d’holotransferrine, l’holotransferrine se fixe au RTf1 et entraine la mobilisation de HFE vers le RTf2 et entraine la formation d’un complexe BMPR-BMP-HJV-HFE qui va entrainer une cascade de signalisation qui va activer le gène HFE (cascade SMAD, mais encore à l’état de recherche)

Membrane PlasmiqueRTf1RTf2

Sang

HFE

Transferrine

Cytoplasme

BMP

HJV

BMPR

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Hépatocyte

Activation Gène Hepcidine


sain


One model proposes that TFR1 in the liver serves to sequester HFE under conditions of low circulating iron levels, and that HFE is displaced from TFR1 by holotransferrin when circulating iron levels increase due to increased dietary uptake.97 The displaced HFE is then allowed to interact with TFR2 and transferrin, and somehow this complex generates a signal to upregulate hepcidin expression.

Sur la membrane plasmique de l’hépatocyte, on retrouve RTf1, Récepteur pn BMP (BMPR), Récepteur à la transferrine 2 (analogue de RTf1 mais exprimé seulement sur les hépatocytes) et hémojuvéline.

Le Récepteur à la Tf1 a un site de fixation pour HFE et un autre site de fixation pour l’holotransferrine (Tf + 2 fer). Mais ces deux sites de fixation se chevauchent (IMPORTANCE du chevauchement).

Lorsque le fer est en faible qté, il y a peu d’holotransferrine, donc il va y avoir préférentiellement la fixation d’HFE.

Le recepteur Tf1 à une faible affinité pour la transferrine et une forte affinité pour l’holotransferrine (Tf +2 Fer). Quand la concentration en fer augmente et donc la qté d’holotransferrine, l’holotransferrine se fixe au RTf1 et entraine la mobilisation de HFE vers le RTf2 et entraine la formation d’un complexe BMPR-BMP-HJV-HFE qui va entrainer une cascade de signalisation qui va activer le gène HFE (cascade SMAD, mais encore à l’état de recherche)

Membrane Plasmique

Sang

Cytoplasme

RTf1

HFE

Transferrine

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RTf2

BMP

HJV

BMPR


sain


L’holotransferrine (transferrine liée au fer) a une forte affinité pour le RTF1), plus forte que celle de HFE pour RTF1. Le site de fixation de HFE et de l’holotransferrine sur RTf1 ont une partie en commun. Par conséquent lorsque l’holotransferrine se fixe à RTf1, elle pousse HFE en dehors de son site de fixation. HFE se retrouve libéré et va alors se fixer au complexe BMPR/BMP/RTf2/Hémojuvéline. Ce complexe va entrainer la transcription du gène de l’hepcidine via la cascade de protéine SMAD.

Membrane Plasmique

Sang

Cytoplasme

RTf1RTf2

BMPR

HJV

BMPHFETransferrine


16


sain


Activation du gène Hepcidine par la voie SMAD et peut être ERK (encore à l’état de recherche +++)

Membrane Plasmique

Sang

Cytoplasme

RTf1RTf2

BMPR

HJV

BMPTransferrine


HFEm


V) Régulation de la synthèse d’hepcidine dans l’hépatocyte :

hémochromatose

HFE muté ne peut se fixer au complexe BMPR/BMP/RTf2/Hémojuvéline et par conséquent ne pourra pas entrainer l’activation du gène codant pour l’hepcidine.

VI) Conséquence de la surcharge en fer au niveau de l’hépatocyte

Membrane Plasmique

Sang

Cytoplasme

Légende :

Fer libre

MitochondrieOH- OH-

Capacité cellulaire de stockage du fer dépassée

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Saturation de la ferritine qui ne peut plus fixer le fer => apparition de fer libre en grande qté.

Apparition de fer libre dans les cellules (hépatocytes) qui vont entraîner une réaction de stress oxydatif et une toxicité directe du fer.

toxicité directe du fer sur la mitochondrie (diminution de l’activité d’oxydoréduction mitochondriale, de l’activité de la chaîne respiratoire et de la production d’ATP) qui entraine in fine l’apoptose de la cellule.

toxicité via les dérivés réactifs de l’oxygène (Reactive Oxygen Species=ROS) : réaction de Fenton : Fe2+ (fer LIBRE) + H2O2 -> Fe3+ + OH- + OH- => peroxydation des membranes lipidiques des organites cellulaires

Hépatocyte

VII) Synergie Fer - Ethanol

Ethanol

Acétaldéhyde

NADH Stéatose

StéatoseFibrose

Ethanol

alcools déshydrogénases

Système MEOS Dérivés réactifs de l’O2

Schéma simplifié du métabolisme de l’éthanol dans l’hépatocyte.

NADH : L’éthanol est métabolisé presque exclusivement par le foie à travers son oxydation en acétaldéhyde par les alcools déshydrogénases cytosoliques (et ensuite en acetate par l’aldehyde deshydrogénase mitochondriale -mais ce n’est pas représenté sur le schéma-).Il y a donc une augmentation de NADH par rapport à NAD qui a un effet sur le métabolisme des lipides, résultant à la stéatose.

Acétaldéhyde : Il va : perturber le métabolisme des lipides (via le Peroxisome Proliferator Activator Receptor) => stéatoseactiver la transcription du gène codant le collagène (dans les hépatocytes et aussi dans d’autres cellules comme les cellules Ito=cellules étoilées du foie) => fibrose

Système MEOS : Convertit l’éthanol en acétaldéhyde (=> conséquences de l’acétaldéhyde) et surtout cette réaction enzymatique médiée par le cytochrome P450 2E1 va favoriser la libération de réactifs dérivés de l’oxygène (=ROS).Les ROS sont dangereux pour la cellule car ils entrainent une peroxydation des membranes lipidiques.

Fer : Le fer favorise la formation de ROS via la réaction de Fenton (Fe2+ (fer LIBRE) + H2O2 -> Fe3+ + OH- + OH-). Or le système MEOS favorise la formation de ROS, le fer va avoir un rôle de catalyseur de la formation de ROS.

Le message à faire passer est que l’hémochromatose seule peut faire une cirrhose, mais surtout l’association de l’hémochromatose et de la consommation d’alcool (pas forcément très excessive : 2 verres/jour suffisent) a un rôle catastrophique sur le foie et favorise la cirrhose ++++

Hépatocytes

Cellules de Kupfer

Fibroblastes

Cellules Ito

Stéatose

NécroseApoptose

FibroseAcetaldehyde, ROS, LP

Cytokines, ROS

d’après Pietrangelo A., Iron-induced oxidant stress in alcoholic liver fibrogenesis, Alcohol, Volume 30,

Issue 2, June 200320

Stress oxydatifdes hépatocytes

VII) Synergie Fer - Ethanol

Le fer joue le rôle de CATALYSEUR dans la production de ROS et la peroxydation lipidique (LP sur le schéma).Il y a un effet synergique du fer avec l’action de l’alcool ++++

Durant le métabolisme de l’éthanol, les hépatocytes vont produire des ROS (la formation des ROS est catalysée par le FER) qui vont entrainer une péroxydation lipidique des organites intra cellulaires. Cela va entrainer un stress oxydatif qui va entraîner l’activation des fibroblastes et des cellules Ito (=cellules étoilées du foie).

Le stress oxydatif va aussi entrainer la nécrose et l’apoptose hépatocytaires. Cela va entraîner une activation des cellules de Kupfer. Celles ci vont sécréter des cytokines et des ROS après leur activation. La surcharge en fer va favoriser encore plus la sécrétion de ROS.

Enfin l’acétaldéhyde va entrainer une stéatose hépatiques. Les hépatocytes stéatosiques vont entrainer une activation des fibroblastes et des cellules Ito.

Ces trois mécanismes (stress oxydatif, mort hépatocytaire et stéatose) vont entraîner la fibrose.

Conclusion• Le Fer est finement régulé au niveau de son absorption.

• HFE et l’hepcidine sont les deux protéines majeures dans la régulation de l’absorption du Fer.

• Mais la dysfonction d’une des autres protéines de régulation du gène de l’hepcidine peut aussi entraîner une hémochromatose (hémochromatose non HFE).

• Les patients cirrhotiques atteints d’hémochromatose sont majoritairement consommateurs d’alcool (même en faible quantité) du fait de la potentialisation des effets pro-fibrosant de l’alcool par la surcharge en fer.

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VIII) Bibliographie• Andrews NC. NEJM 1999;341: 1986-95

• Atanasiu, V., Manolescu, B. and Stoian, I. (2007), Hepcidin – central regulator of iron metabolism. European Journal of Haematology, 78: 1–10

• Babitt J. L., M.D., and Herbert Y. Lin, M.D., Ph.D. The Molecular Pathogenesis of Hereditary Hemochromatosis, 2011

• Bouizegarène P. et al Les hémochromatoses héréditaires : partie II. L'hémochromatose héréditaire liée au HFE (HFE1) Immuno-analyse & Biologie Spécialisée 2006

• Flemming RE et al. , Annual review of physiology 2002; 64:663-80

• Fleming, R. E., and Sly, W. S. (2002) Mechanisms of iron accumulation in hereditary hemochromatosis. Annu. Rev. Physiol. 64, 663– 680

• Fleming RE, Britton RS, Waheed A, Sly WS, Bacon BR. Pathophysiology of hereditary hemochromatosis. Semin Liver Dis. 2005;25:411–419

• Ganz T., Nemeth E., Hepcidin and iron homeostasis, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, Volume 1823, Issue 9, September 2012

• Pietrangelo A., Iron-induced oxidant stress in alcoholic liver fibrogenesis, Alcohol, Volume 30, Issue 2, June 2003

• Siddique A, Kowdley, Review article: the iron overload syndromes. KV. Aliment Pharmacol Ther. 2012 Apr;35(8):876-93

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