Soutenance mémoire
Physiopathologie de la réponse cardiaque à la stimulation β-adrénergique
Récepteurs β-adrénergiques
Gènes et expression des récepteurs β-adrénergiques
Trois sous-types de récepteurs β-adrénergiques, β1, β2 et β3 ont été décrits, codés respectivement par les gènes ADRB1, ADRB2 et ADRB3. Un 4ème sous-type a été proposé mais correspond à un état particulier du récepteur β1-adrénergique.
La localisation chromosomique chez l’homme diffère selon le type de récepteur βadrénergique : 10q24-q26 pour le récepteur β1, 5q31-q32 pour le récepteur β2, 8p12-p11.2 pour le récepteur β3. ADRB11 et ADRB2 sont des gènes monoexons alors que ADRB3 comporte 3 exons et 2 introns chez la souris et le rat, 2 exons et 1 intron chez l’homme. L’épissage alternatif de ces introns avant la traduction en protéines aboutit à 2 isoformes du récepteur β3-adrénergique dont l’un pourrait être sujet à la déphosphorylation (cf infra).
Les récepteurs différents β-adrénergiques sont exprimés dans de nombreux tissus (foie, œil, muscles lisses,…). Au niveau du cœur, le récepteur β1-adrénergique est présent dans toutes les régions du cœur, le récepteur β2 est principalement localisé dans les oreillettes et les ventricules, enfin le récepteur β3 est surtout exprimé au niveau des ventricules. Les récepteurs β-adrénergiques du cœur adulte sain sont à 80% de type β1 et pour 20% de type β2. Le récepteur β3-adrénergique est très peu exprimé dans le cœur sain9 mais sa proportion augmente dans le cœur sénescent ou en cas d’atteinte septique, diabètique , ou en cas d’insuffisance cardiaque. Les récepteurs β2 et β3-adrénergiques sont localisés sur les terminaisons postganglionnaires au niveau pré- et post-synaptique alors que le récepteur β1- adrénergique est exclusivement post-synaptique.
Structure des récepteurs β-adrénergiques
Les récepteurs β-adrénergiques font partie de la famille des récepteurs couplés aux protéines G. Il s’agit de structures protéiques à 7 domaines transmembranaires hydrophobes de 22 à 28 acides aminés reliés entre eux en intra- et extra-cellulaire par des boucles hydrophiles (Figure 1). L’extrémité N-terminale (ou amino-terminale) de la protéine se situe du côté extracellulaire et comporte deux sites de N glycosylation. Du côté extracellulaire, le site de fixation pour le ligand est formé par 3 domaines transmembranaires et 1 pont disulfure. L’extrémité C-terminale (carboxy terminale) de la protéine se situe du côté intracellulaire et peut comporter des sites de phosphorylation. Du côté extracellulaire, le récepteur interagit avec une protéine G de type stimulatrice (Gs) ou inhibitrice (Gi).
Polymorphisme des récepteurs β-adrénergiques
Plusieurs polymorphismes nucléotidiques ou SNP (single nucleotide polymorphism) ont été décrits sur les récepteurs β-adrénergiques de type β1 ou β2. Ces mutations sur un nucléotide peuvent changer un acide aminé clé de la protéine et ainsi moduler le couplage des récepteurs aux protéines G ou influencer la désensibilisation et l’internalisation des récepteurs.
Le polymorphisme β1 Arg389Gly (substitution d’une arginine par une glycine en position 389) affecte une portion du récepteur β1-adrénergique impliquée dans la liaison aux protéines G. La présence de l’allèle codant pour une arginine Arg389 est liée à une réponse inotrope et chronotrope positive plus importante après stimulation par dobutamine chez des sujets traités par inhibiteurs des récepteurs β-adrénergiques (β-bloquants). Les études cliniques restent discordantes quant à l’impact sur l’évolution clinique des patients. Les sujets porteurs du polymorphisme Arg389 amélioreraient plus leur fraction d’éjection ventriculaire gauche (FEVG) sous β-bloquant que les sujets porteurs de Gly389.
Le polymorphisme β2 Glu27 (allèle codant pour un acide glutamique au lieu d’une glutamine en position 27) est l’un des principaux décrits pour le récepteur β2-adrénergique. Les patients porteurs de l’acide glutamique traités par β-bloquants au long cours ont une réponse chronotrope positive résiduelle à la dobutamine supérieure à ceux porteurs de la glutamine. Ils évoluent en revanche plus souvent vers la dilatation ventriculaire gauche après un infarctus du myocarde.
Pharmacologie des récepteurs β-adrénergiques
L’adrénaline et la noradrénaline sont les deux catécholamines endogènes agonistes naturels des récepteurs β-adrénergiques. La noradrénaline est libérée par les terminaisons nerveuses sympathiques. L’adrénaline est libérée par les glandes surrénales et apportée par la circulation sanguine. Les deux peuvent être directement synthétisés au niveau du tissu myocardique et agir de façon autocrine ou paracrine .
D’autres agonistes ont été développés par l’industrie pharmaceutique comme la dobutamine, le salbutamol, la terbutaline et l’isoprotérénol. L’isoprotérénol est largement utilisé dans les études expérimentales car il présente pour les trois sous-types de récepteurs βadrénergiques une affinité plus importante que les autres agonistes. Le récepteur β3- adrénergique est activé par de plus fortes concentrations d’agonistes que les récepteurs β1 et β2.
Différents antagonistes ont été développés par l’industrie pharmaceutique et sont largement utilisés dans les troubles du rythme, l’insuffisance coronaire ou même l’insuffisance cardiaque. L’inhibition peut être spécifique à certains sous-types de récepteur. Le nébivolol allie même une inhibition des récepteurs β1 et une activation des récepteurs β3- adrénergiques.
Stimulation des récepteurs β-adrénergique et fonction cardiaque
Couplage excitation-contraction
La dépolarisation cellulaire induit l’ouverture des canaux calciques lents et l’entrée d’une petite quantité de calcium dans la cellule. Celui-ci stimule la libération massive de calcium du réticulum sarcoplasmique par le récepteur à la ryanodine (Figure 3). Le calcium se fixe sur la troponine C ce qui change la conformation de la tropomyosine. L’interaction entre actine et myosine est libérée. La bascule de la tête de myosine sur l’actine provoque le raccourcissement du sarcomère et la contraction musculaire. Un apport d’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP) et la disparition du calcium cytosolique permettent la levée de l’interaction actine-myosine et la relaxation.
Le taux de calcium dans le cytosol est l’élément clé du cycle contraction-relaxation de la cellule musculaire cardiaque. Sa variation est appelée transitoire calcique. Le rôle des entrée et sortie de calcium à chaque cycle cardiaque est minoritaire dans la transitoire calcique par rapport à la mobilisation du calcium du réticulum sarcoplasmique. Le mécanisme d’amplification de la variation de la concentration cytosolique en calcium est nommé « calcium-induced calcium release » La décroissance de la concentration cytosolique en calcium est principalement due au recaptage dans le réticulum sarcoplasmique par SERCA2a (SarcoEndoplasmic Reticulum Calcium ATPase).
Contractilité cardiaque
La signalisation β-adrénergique décrite ici correspond à la voie de signalisation principale après la stimulation des récepteurs β1-adrénergiques. Les voies de signalisation après stimulation des récepteurs β2- et β3-adrénergiques sont décrites plus loin.
L’activation d’un récepteur β-adrénergique par la liaison avec un ligand agoniste à la surface d’une cellule active la protéine G associée au récepteur en catalysant l’échange d’un guanosine diphosphate (GDP) pour un guanosine triphosphate (GTP). Dans le cas d’une protéine de type Gs, la sous-unité active Gα de la protéine G est libérée et stimule l’activité de l’adénylate cyclase 5 et 6. Cette enzyme catalyse la formation de l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc), second messager intracellulaire de la signalisation βadrénergique. L’AMPc active la protéine kinase-AMPc dépendante (PKA).
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Table des matières
INTRODUCTION
ETAT DE LA QUESTION
1. Physiopathologie de la réponse cardiaque à la stimulation β-adrénergique
1.1 Récepteurs β-adrénergiques
1.1.1 Gènes et expression des récepteurs β-adrénergiques
1.1.2 Structure des récepteurs β-adrénergiques
1.1.3 Polymorphisme des récepteurs β-adrénergiques
1.1.4 Pharmacologie des récepteurs β-adrénergiques
1.2 Stimulation des récepteurs β-adrénergique et fonction cardiaque
1.2.1 Couplage excitation-contraction
1.2.2 Contractilité cardiaque
1.2.3 Electrophysiologie
1.3 Autres effets de la stimulation des récepteurs β-adrénergiques.
1.3.1 Désensibilisation et downregulation des récepteurs β-adrénergiques
1.3.2 Effets hypertrophiques et apoptotiques de la stimulation chronique β1-adrénergique
1.3.3 Signalisation issue du récepteur β2-adrénergique
1.3.4 Signalisation issue du récepteur β3-adrénergique
1.4 Régulation de la signalisation β1-adrénergique
1.4.1 Compartimentalisation subcellulaire et signalisation β-adrénergique.
1.4.2 Extrusion de l’AMPc par MRP4
2. Physiopathologie de la cardiopathie sénescente
2.1 Le cardiomyocyte dans le cœur sénescent
2.1.1 Altérations génétiques au cours de la sénescence
2.1.2 Epigénétique et micro-ARNs au cours de la sénescence
2.1.3 Accumulation des déchets dans le cœur sénescent
2.1.4 Modifications structurelles du cœur sénescent
2.2 Altérations fonctionnelles du cœur sénescent
2.2.1 Electrophysiologie du cœur sénescent
2.2.2 Contraction cardiaque basale et homéostasie calcique
2.2.3 Altérations mécaniques du cœur sénescent
2.3 La fonction β-adrénergique dans le cœur sénescent
2.3.1 Hyperactivation neuro-hormonale
2.3.2 La dysfonction β-adrénergique
3. Physiopathologie de la cardiopathie diabétique
3.1 Principales modifications tissulaires et cellulaires dans la cardiopathie diabétique
3.1.1 Altérations structurelles et neuro-hormonales au cours du diabète
3.1.2 Aspects métaboliques de la cardiopathie diabétique
3.1.3 Altérations du couplage excitation-contraction dans la cardiopathie diabétique
3.2 Altérations mécaniques dans la cardiopathie diabétique
3.2.1 Dysfonction diastolique dans la cardiopathie diabétique
3.2.2 Dysfonction systolique dans la cardiopathie diabétique
3.2.3 Dysfonction β-adrénergique dans la cardiopathie diabétique
3.3 Principales altérations cardiaques liées à l’obésité et au syndrome métabolique
TRAVAUX MENES PAR LE DOCTORANT
1. Matériels et Méthodes
1.1 Modèles animaux
1.1.1 Cardiopathie sénescente
1.1.2 Cardiopathie liée au syndrome métabolique
1.1.3 Cardiopathie diabétique
1.2 Effets inotrope et lusitrope de la stimulation β-adrénergique in vivo
1.2.1 Echocardiographie
1.2.2 Mesure invasive de la pression artérielle
1.3 Effets inotrope et lusitrope de la stimulation β-adrénergique ex vivo
1.4 Effets inotrope et lusitrope de la stimulation β-adrénergique in vitro
1.4.1 Isolement des cardiomyocytes
1.4.2 Etude Ionoptix® des cardiomyocytes
1.5 Mesure de l’expression protéique de MRP4
1.6 Analyse statistique
2. Résultats
2.1 Etude n°1 : Evaluation du rôle de la protéine MRP4 dans la réponse à la stimulation β-adrénergique dans la cardiopathie sénescente
2.2 Etude n°2 : Etude de l’impact de l’obésité associée au diabète sur la stimulation β-adrénergique
2.3 Etude n°3 : Etude de l’impact des statines sur la cardiopathie diabétique
2.4 Etude n°4 : Etude du rôle de la protéine MRP4 dans la réponse à la stimulation β-adrénergique.
CRITIQUES ET LIMITES DES METHODES
1. Modèles animaux
1.1 Espèce animale
1.2 Modèles de cardiopathie
2. Evaluation de la réponse à la stimulation des récepteurs β-adrénergiques in vivo
3. Evaluation de la réponse à la stimulation des récepteurs β-adrénergiques in vitro
4. Inhibition de MRP4 par MK571
5. Analyses d’expression génomique et protéique
CONCLUSION
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