Transports épithéliaux intestinaux : Physiologie et Physiopathologie

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1 Transports épithéliaux intestinaux : Physiologie et Physiopathologie Maude Le Gall Equipe de Physiologie et Neuroendocrinologie Digestives Inserm U773, Centre de Recherche Biomédicale Bichat Beaujon,CRB3 maude.le-gall@inserm.fr

2 De la digestion aux transports épithéliaux intestinaux Digestion des aliments Transport des nutriments Lumière intestinale Cellule épithéliale intestinale Milieu intérieur Disaccharides Monosaccharides Oligopeptides acides aminés Acides gras libres Micelles H2O Sels Minéraux Vitamines Passage dans le sang ou la lymphe Transports épithéliaux intestinaux

3 La surface d absorption générée par la structure de l intestin X600 X3 X30 L'absorption est facilitée par l'extraordinaire développement de la surface de contact entre les nutriments et la muqueuse intestinales (estimation de m2 de surface interne pour l'intestin grêle) grâce à des replis (valvules conniventes), villosités et microvillosités intestinales.

4 La surface d absorption générée par la structure de l intestin X600 Lumière intestinale BBM Bordure en Brosse X3 X30 Milieu intérieur BLM Membrane Basolatérale L'absorption est facilitée par l'extraordinaire développement de la surface de contact entre les nutriments et la muqueuse intestinales (estimation de m2 de surface interne pour l'intestin grêle) grâce à des replis (valvules conniventes), villosités et microvillosités intestinales.

5 Résumé de la digestion Les aliments subissent une digestion mécanique (fragmentation, émulsion...) et une digestion chimique (hydrolyse des grosses molécules par des enzymes) pour être transformés en nutriments qui sont les éléments nutritifs pouvant être absorbés. Les glucides passent sous forme de glucides simples (monosides) et sont pompés de la lumière intestinale vers le sang. Les protides passent sous forme d'acides aminés ou de dipeptides et tripeptides et sont aussi pompés vers le sang. Les lipides passent sous forme d'alcool, d'acides gras (A.G.) et de mono- ou diglycérides. Ces derniers sont retransformés en triglycérides au niveau de l'entérocyte et sécrétés sous forme de gouttelettes lipidiques (chylomicrons) dans les vaisseaux lymphatiques (ou chylifères). La lymphe se déversant dans le sang (au niveau du carrefour veine sous-clavière - veine cave supérieure). Tous les nutriments se retrouvent en dernier ressort dans le sang et ils sont distribués aux cellules.

6 Les principales zones d absorption de l intestin L absorption se fait tout le long du tube digestif, même si l'on observe une régionalisation, chaque partie ayant un rôle plus spécifique. (Vitamine B12)

7 Les principales zones d absorption de l intestin L absorption se fait tout le long du tube digestif, même si l'on observe une régionalisation, chaque partie ayant un rôle plus spécifique. (Vitamine B12) Quelques exemples de transports épithéliaux intestinaux - Nature des transporteurs et mode de transport - Régulation des transporteurs par les nutriments et les hormones - Pathologies associées

8 Physiologie de quelques transporteurs Transporteurs des sucres Transporteurs des peptides et acides aminés Transporteurs du fer

9 Digestion et absorption des glucides Chez l homme, l ingestion d hydrates de carbone (environ g/) représente environ la moitié des apports caloriques. Celle-ci comprend surtout l amidon alimentaire (55-65%), mais aussi des disaccharides comme le saccharose (20-30%) et le lactose, ainsi que des monosaccharides (glucose, fructose). La digestion de l amidon commence dans la bouche, sous l action de l amylase salivaire. La plus grande proportion est hydrolysée dans le duodénum sous l action de l amylase pancréatique. L α-amylase libère ainsi du maltose, du maltotriose, et des dextrines contenant en moyenne 5 à 10 atomes de glucose.

10 La digestion finale des dissacharides Lactase Lumière intestinale Lactose Trehalase Glucose + Galactose Trehalose Glucose Maltase glucoamylase Maltose Glucose Saccharase isolmaltase Entérocyte Saccharose Glucose + Fructose Les oligosaccharides provenant de la digestion, et les disaccharides, sont hydrolysés par des enzymes de la bordure en brosse en glucose (80%), galactose et fructose. Glucose Galactose Fructose Milieu intérieur

11 Les transporteurs intestinaux des sucres Lumière intestinale Fructose Na + Glucose Galactose GLUT5 SGLT1 Entérocyte Na + Milieu intérieur Glucose Fructose Galactose K + Na/K ATPase

12 Les acteurs de l absorption des sucres SGLT1 Co-transporteur sodium/glucose Codé par SLC5A1 Transport actif (indirect) Glucose et Galactose co-transporté avec Na+ Le gradient de Na+ permet un transport des sucres éventuellement contre leur gradient de concentration

13 Les acteurs de l absorption des sucres SGLT1 Pôle apical de l entérocyte Glucose et Galactose co-transporté avec Na+ La pompe Na+/K+ ATPase Pôle basal de l entérocyte Elimine activement le Na+ contre du K+ Consomme de l énergie Fournit un gradient de Na+ Le K+ est éliminé par des pompe

14 Les acteurs de l absorption des sucres GLUT5: SLC2A5 diffusion facilitée Fructose Km 6-14mmol/L : SLC2A2 diffusion facilitée Fructose Km 66mmol/L Glucose Km +50mmol/L Galactose Transport par diffusion facilitée bidirectionnel possible mais selon le gradient des sucres Changement de conformation lors du passage du sucre

15 Les transporteurs intestinaux des sucres Fructose Glucose Fructose Transport observé? GLUT5 SGLT1 GLUT5 Na + Glucose Transport observé? Glucose Fructose SGLT1 Ce modèle n est pas compatible avec les cinétiques d absorption de grandes concentrations de sucres

16 Les transporteurs intestinaux des sucres Fructose Glucose Fructose Transport observé? GLUT5 SGLT1 GLUT5 Na + Glucose Transport observé? Glucose Fructose SGLT1 Comment moduler l absorption intestinale des sucres???

17 Réponse intestinale à un repas sucré chez la souris Repas pauvre en sucres SGLT1 GLUT5 Repas riche en sucres Noyau SGLT1 GLUT5 Gouyon et al. (2003) J Physiol. London 552(Pt 3):823-32

18 Réponse intestinale à un repas sucré chez la souris A jeun Repas PBS Gouyon et al. (2003) J Physiol. London 552 (Pt 3): L expression de dans la membrane apicale est réversible et peut rapidement être induite par un bolus de sucres

19 Mouvements de dans l entérocyte en fonction de l apport en sucres Après 1 nuit de jeûne Au cours d un repas sucré SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 Si les sucres contrôlent la localisation apicale de, quel est le signal entraînant sa délocalisation?

20 Effets de l insuline sur la localisation de dans les entérocytes Tobin, Le Gall, et al. (2008) Diabetes 57(3): L insuline délocalise de la membrane apicale des entérocytes

21 Localisation de en réponse à l insuline dans les différentes fractions membranaires d entérocytes NaKATPe Tobin, Le Gall, et al. (2008) Diabetes 57(3): In vivo, l insuline délocalise de la membrane apicale

22 Régulation à court terme de l absorption intestinale des sucres par la localisation de Après 1 nuit de jeûne Au court d un repas sucré Après l action de l insuline SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 RI Insuline

23 Régulation des transporteurs par la leptine intestinale Transport fructose Expression de la protéine GLUT5 Sakar Y et al. PLoS One ;4(11):e7935. Effet de la leptine apicale et basale sur l absorption des nutriments par les cellule intestinals Origine de la leptine Apicale Basale Glucose Diminue Diminue Galactose Diminue ND Fructose Augmente ND

24 Expression de GLUT5 en réponse à l âge et aux régimes Douard V et Ferraris RP Am J Physiol Endocrinol Metab. 2008; 295(2): E227 E237.

25 Régulation du transporteur GLUT5 en réponse aux sucres Gouyon F, et al Biochem J. 2003;375(Pt 1): Le promoteur GLUT5 est sensible au glucose et au fructose La stabilité du messager est très sensible au fructose

26 Régulation à long terme des transporteurs de sucres ARNm Régime riche en protéines (LC) en glucose (HG) en fructose (HF) Gouyon et al. (2003) J Physiol. London 552 (Pt 3): Le Gall, Tobin et al. (2007) J Cell Physiol. 213(3): L expression des transporteurs est sensible au régime Différents gènes sont sensibles à différents sucres

27 Conclusion sur les transporteurs des sucres Des transporteurs différents au pôle apical et au pôle basolatéral des entérocytes. Des transporteurs qui fonctionnent en association avec des enzymes de la digestion finale des carbohydrates (lactase, isomaltase ) Des transporteurs souvent codés par des gènes de type SLC (Solute carrier) et des transports de type diffusion facilité ou co-transport L expression et la localisation des transporteurs de sucres sont finement régulées - par les sucres eux-mêmes - par des hormones (insuline, leptine) Lumière intestinale Nutriments= nature et quantité Cellule épithéliale intestinale Milieu intérieur Hormones = état métabolique

28 Digestion et absorption des protéines La ration quotidienne de protéines alimentaires varie de 100 à 300 g chez l adulte. La masse de protéines qui entre dans la lumière intestinale comprend également les protéines endogènes, constituées des enzymes et glycoprotéines des sécrétions salivaires et bilio-digestives, ainsi que la desquamation cellulaire.

29 Digestion et absorption des protéines La digestion endoluminale des protides commence au niveau de l estomac par l action des pepsines qui clivent les protéines en peptides et peptones. Au niveau de l intestin grêle, l entérokinase, libérée par la bordure en brosse par les sels biliaires, transforme le trypsinogène en trypsine; celle-ci va alors activer les protéases pancréatiques. La digestion par les enzymes pancréatiques aboutit à la libération de 30 à 40% d acides aminés et à la formation de 60-70% d oligopeptides

30 Digestion et absorption des protéines La digestion de ces oligopeptides va se poursuivre, sous l action des nombreuses peptidases de la bordure en brosse, pour libérer au total 40% des acides aminés et former 60% de di- et tripeptides.

31 Le transport des dipeptides et tripeptides Gilbert et al 2008, 86: J ANIM SCI

32 Le transporteur PEPT1 Codé par SLC15A1 Famille des POT ou PTR (Proton-coupled oligopeptide transporter ou Peptide Transporter) Co-transporteur Peptide/ H+ Transport électrogénique stochiométrie 1/1 Faible affinité, Forte capacité 400 di-peptides différents 8000 tri-peptides différents 12 domaines TM Pas de sélection par la séquence mais peut être par la structure tridimensionnelles des peptides Transporte de nombreux composants pharmacologiques (drogues)

33 Le transport des peptides par PEPT1 L entrée des peptides dans la bordure en brosse via PepT1 entraine un influx de protons. Ce qui est suivi d un efflux de protons via l échangeur NHE3 Na+/H+ et l influx de sodium. Le sodium sort via la pompe Na+/K+ ATPase localisée à la membrane basolatérale. Le potassium ressort par les canaux potassiques. Dans le cytoplasme, la plupart des peptides sont hydrolysés en acides aminés. Ce transport consomme de l Energie de façon indirecte.

34 PEPT1 permet également le transport de composés pharmacologiques Recherche de composé pharmacologiques transportés par PEPT1 - Antibiotiques - Inhibiteurs de ACE (angiotensin converting enzyme) - Antagoniste du récepetur D2 de la Dopamine - Anti-tumoraux - Anti-viraux

35 Régulation de PEPT1 par la composition des régimes alimentaires Transport du peptide Gly-Sar ARNm Pept1 Shiraga T et al (1999) Gastroenterology116(2):354-62

36 Régulation de PEPT1 par la leptine intestinale Transport du peptide Gly-Sar Protéine PEPT1 ARNm Pept1 Buyse et al J Clin Invest. 2001; 108(10):

37 Régulation de PEPT1 par l Insuline Transport du peptide Gly-Gln ARNm Protéine Thamotharan M, et al. Am J Physiol (4 Pt 1):C821-6

38 Le transport des acides aminés libres La mise en évidence de «systèmes» Alanine and other small and polar neutral amino acids Alanine Serine Cystein Leucine and other large hydrophobic neutral amino acids x for anionic, y for cationic, z for neutral lowercase acronyms indicate Na-independent transporters, whereas uppercase acronyms are used for Na-dependent transporters Bröer Physiol. Rev (2008)

39 Le transport des acides aminés libres La mise en évidence de «systèmes» Bröer Physiol. Rev (2008)

40 Le transport des acides aminés libres L identification des protéines responsable des systèmes Bröer Physiol. Rev (2008)

41 Les transporteurs des acides aminés libres Les différents types d acides aminés Acides aminés Neutres (AAo) Méthionine, Tryptophane, Sérine Thréonine, Glutamine, Tyrosine, Histidine Acides aminés cationique AA+ Lysine, Arginine Acides aminés anionic AA- Glutamate, Aspartate Proline et Glycine Proline, hydroxyproline et Glycine Acides aminés beta Beta Alanine, Taurine, GABA Bröer Physiol. Rev (2008)

42 Les transporteurs des acides aminés libres Les différents types d acides aminés Acides aminés Neutres (AAo) Acides aminés cationique AA+ Acides aminés anionic AA- Proline et Glycine Acides aminés beta Les différents types de transporteurs Co-transporteur aa/na+ B0AT1, SNAT2, IMINO Co-transporteur aa/h+ PAT1 Co-transporteur non electrogénique ASCT2 échange AA échange Na+ Transporteur électroneutre TAT1 Echangeur AA/AA 4F2, LAT2... Les transporteurs d AA agissent souvent en étroite association les uns avec les autres. Le transport d un AA va dépendre du transport d un autre. Bröer Physiol. Rev (2008)

43 Régulation de l expression des transporteurs des acides aminés libres par eux-mêmes et par la leptine SLC36 Exemple du transport de la Glutamine Fanjul C, et al Acta Physiol (Oxf) (1):82-91 Ducroc R, et al. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol (1):G

44 Résumé sur les transporteurs des peptides et acides aminés Des transporteurs différents au pôle apical et au pôle basolatéral des entérocytes. Des transporteurs qui fonctionnent en association avec des enzymes de la digestion finale des protéines et peptides (peptidases) et avec les autres transporteurs d aa. Des transporteurs souvent codés par des gènes de type SLC (Solute carrier) et des transports de type co-transporteurs ou échangeurs L expression et la localisation des transporteurs de peptides et acides aminés sont finement régulée - par les substrats eux-mêmes - par des hormones (insuline, leptine) Lumière intestinale Nutriments= nature et quantité Cellule épithéliale intestinale Milieu intérieur Hormones = état métabolique

45 Homéostasie et transport du fer Andrews N. Blood July 15; 112(2):

46 Source de fer : Essentiellement sous forme d hème Sous forme oxydée Fe(III) (ferrique) Sous forme associée à la ferritine A la BBM - Fe(III) (ferrique) Fe(II) (ferreux) DMT-1 Divalent metal ion transporter 1 associée a une réductase ferrique (Cytochrome C DcytB et Steap2) - Sous forme d hème ou associé à la ferritine Récepteur et endocytose Dans l enterocytes Hème oxygénase libération de fer sous sa forme ferreuse Transport intestinal du fer A la membrane basale Export via la ferroportine (FPN1) en association avec une ferroxydase hephaestin (HP) ou APP (amyloid precursor protein) sous forme Fe(III) ferrique Pantopoulos K, et al Biochemistry ;51(29):

47 Régulation hormonale du transport intestinal du fer L hepcidine produite par le foie lie et entraîne l internalisation et la dégradation de la Ferroportine FPN1 Wang J, et al Biochem J ;434(3):

48 Régulation du transport intestinal du fer par le fer lui-même Le système IRE-IRP Dans le 5 UTR Inhibe la traduction HIF2a contrôle la transcription de DMT1 and DcytB Dans le 3 UTR Augmente la stabilité du messager et donc le taux de protéines traduite Wang J, et al Biochem J ;434(3):

49 Résumé sur les transporteurs du fer Des transporteurs différents au pôle apical et au pôle basolatéral des entérocytes. Des transporteurs qui fonctionnent en association avec des enzymes (réductase, oxydase) L expression et la localisation des transporteurs est finement régulées - par le fer lui-même - par des hormones (hepcidine, leptine? insuline?) Lumière intestinale fer Cellule épithéliale intestinale Milieu intérieur Hormones = état métabolique

50 Pathologies de quelques transporteurs L absence de transporteurs entraîne des pathologies Comment certaines pathologies impactent sur les transporteurs

51 Maladies associées aux transporteurs des sucres SGLT1: glucose-galactose malabsorption (GGM, OMIM ) Recessive homozygous autosomal disease Severe diarrhea and dehydration occur due to water retention in the intestinal lumen, caused by the osmotic loss generated by non-absorbed glucose, galactose and sodium in the intestine becomes fatal within a few weeks unless glucose- and galactosecontaining nutrients are removed from the diet GLUT5 : association with fructose malabsorption not clear When GLUT5 is deficient may do the job Fanconi Bickel Syndrome (FBS, OMIM ) Poor effect on glucose galactose absorption?

52 Santer et al. Eur J Pediatr (1998) Le syndrome de Fanconi-Bickel

53 Transport du glucose lors du syndrome de Fanconi-Bickel Santer et al. Eur J Pediatr (1998) Hypothèse: En absence de Le glucose entre par SGLT1 et est métabolisé en Glucose-6P Le Glucose-6P s accumule dans des vésicules où il est déphosphorylé Le Glucose sort de la cellule par exocytose des vésicules Stümpel F, et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2001;98(20):

54 Maladies associées aux transporteurs des peptides et acides aminés Pept1: pas de mutation connue, létal embryonnaire? Bröer Physiol. Rev (2008)

55 Maladie associées aux transporteurs du fer protein gene function human disease hepcidin (HAMP) Hamp regulates intestinal iron absorption by controlling ferroportin juvenile hemochromatosis (HH type 2B) ferroportin (SLC40A1; MTP1) hephaestin (HEPH) Slc40a1 Heph regulates efflux of iron from enterocytes ferroxidase, functions in concert with Fp hemochromatosis, macrophage iron overload (HH type 4) unknown ceruloplasmin (CP) Cp plasma ferroxidase; closely related to Heph aceruloplasminemia divalent metal transporter 1 (DMT1 Nramp1) Slc11a2 transmembrane iron transporter iron overload in liver; anemia Pantopoulos K, et al Biochemistry ;51(29):

56 Pathologies de quelques transporteurs L absence de transporteurs entraine des pathologies Comment certaines pathologies impactent sur les transporteurs Le cas de l obésité et du diabète

57 Localisation de en réponse à l insuline dans des souris rendues résistantes à l insuline Régime 30 jours Régime 4 mois Tobin, Le Gall, et al. (2008) Diabetes Le niveau d expression de dépend du régime (induction par les sucres de son expression) La localisation apicale de est régulée par les sucres et l insuline Dans des souris insulino-résistante, est maintenu à la membrane apicale

58 Quelles peuvent être les conséquences fonctionnelles d une localisation apicale de? Les souris ob/ob un modèle génétique de souris obèses insulino-résistantes Ait Omar, et al. (2011) Diabetes Ait Omar, et al. (2011) Diabetes. 2011;60(10):

59 Quelles peuvent être les conséquences fonctionnelles d une localisation apicale de? Les souris ob/ob un modèle génétique de souris obèses insulino-résistantes Ait Omar, et al. (2011) Diabetes. 2011;60(10): En condition d hyperglycémie, apical permet la sortie de glucose vers la lumière de l intestin

60 Et chez l homme? Comment étudier l impact du diabète et de l obésité sur les transporteurs?

61 La chirurgie bariatrique

62 présente également une localisation apicale chez des certains patients obèses insulino-résistants Immunofluorescence lean obese NaKATPase Ait Omar, et al. (2011) Diabetes. 2011;60(10):

63 Régulation à court terme de l absorption intestinale des sucres par la localisation de Après 1 nuit de jeûne Au court d un repas sucré Après l action de l insuline SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 RI Insuline

64 Dérégulation à long terme de l absorption intestinale des sucres par la localisation de Suite à un régime très sucré Résistance à l insuline Suite à un régime très gras SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 SGLT1 GLUT5 RI Insuline

65 Le diabète et les autres transporteurs de sucres SGLT1 et GLUT5 Pept1 Dyer J, et al. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2002;282(2):G Gangopadhyay A, et al. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 283: G133-G138, Ait Omar, et al. Diabetes 2011;60(10): Si le diabète affecte les transporteurs que font les anti-diabétiques?

66 La metformine module l expression et ou la localisation des transporteurs du sucres chez le rat (non diabétique) Sakar Y, et al. J Physiol Pharmacol Jun;61(3):301-7.

67 La metformine améliore les paramètres métaboliques mais augmente la localisation apicale de chez la souris obèse insulino-résistante Ait Omar, et al. (2011) Diabetes. 2011;60(10):

68 La metformine chez l homme obèse diabétique? NaK ATPase obese Ait Omar, et al. (2011) Diabetes. 2011;60(10): Dans la cohorte de 62 sujets obèses, 65% des sujets traités à la metformine présentent une localisation apicale de Quels sont les mécanismes? Quelles sont les conséquences fonctionnelles?

69 Conclusion sur la pathologie et les transporteurs Les fonctions des différents transporteurs sont peu redondantes et donc des mutations dans les gènes codant les transporteurs peuvent être associées à des pathologies d absorption intestinale. Réciproquement, des pathologies comme le diabète ou l obésité peuvent affecter l expression ou la localisation des transporteurs et donc leur fonction. Les transporteurs sont-ils des cibles thérapeutiques intéressantes? Des médicaments peuvent affecter l expression ou la localisation des transporteurs et donc leur fonction. Des médicaments peuvent utiliser des transporteurs (PEPT1) pour pénétrer dans l organisme (per os)

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