Préconditionnement /Hormésie

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1 Préconditionnement /Hormésie

2 Notion de Milieu Intérieur constant: Claude Bernard (1865) Définition de l homéostasie, ensemble des processus conduisant au maintien de constantes du milieu intérieur: Walter Bradford Cannon (1926) Allostasie et Charge allostatique: Bruce McEwen (1998). L axe Hypothalamus-hypophyse-surrénales (HPA) permet de gérer le stress grâce à la sécrétion de différentes hormones. Toutefois un stress chronique peut devenir dangereux par une activation chronique de cet axe. Les hormones libérées de manière deviennent toxiques pour les cellules, notamment les neurones ( charge allostatique ). La charge allostatique pourrait contribuer aux maladies neurodégénératives.

3 Hormésie: Southam et Ehrlich (1943). Un stress modéré peut avoir des effets bénéfiques à plus ou moins long terme sur l activité cellulaire et des organes. Ce qui ne nous tue pas, nous rend plus fort. Le concept d hormésie a été développé initialement par des toxicologues par l observation des effets bénéfiques de faibles doses de poisons. Des mécanismes hormétiques sont particulièrement activés dans la résistance contre le stress oxydant. L activité sportive, l hypoxie légère, des antioxydants naturels peuvent déclencher l hormésie. Hormésie au niveau cardiaque= préconditionnement cardiaque. Hormésie au niveau cérébral: Mattson et Calabrese 2003

4 Homeostasie Hormesie = homeostasie adaptative

5 Effet bénéfique Pas d effet concentration Effet toxique Courbe en cloche caractéristique d un phénomène hormétique

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8 Quelques exemples d adaptations hormétiques

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11 Mécanismes moléculaires de l hormésie du statut redox La consommation d oxygène nécessaire à la vie est associée à la production de radicaux libres (ROS), au niveau de la mitochondrie en particulier. Un excès de radicaux libres entraîne un effet toxique sur les cellules (stress oxydant). Les cellules disposent de plusieurs mécanismes de régulation de la quantité de ROS: antioxydants (GSH, Vitamine E) et enzymes antioxydantes (SOD-1, Glutathion peroxydase, ) Plusieurs voies intracellulaires permettent de réguler les défenses antioxydantes: c est le cas de la voie Nrf2. d autres voies reliées notamment au statut métabolique peuvent aussi impacter sur l effet anti-oxydant.

12 H 2 O 2 EcSOD (Sod3) Glutathione peroxidase 3 (Gpx3) O 2.- H 2 O 2 H 2 O Peroxydation lipidique CuZnSOD (Sod1) O 2.- H 2 O 2 Peroxiredoxines (Prx) H 2 O Glutathione peroxidase (Gpx1) Catalase LOOH Méthionine oxydée Met=O LOH Glutathione peroxidase 4 (Gpx4) Methionine Sulfoxide Reductase A (MsrA) Méthionine Met Complexe III O 2.- Thioredoxine 1 (réduite) Thioredoxine 1 (oxydée) MnSOD (Sod2) O 2.- H 2 O 2 Prx3 O 2.- HO 2 Gpx4 NADP+ NADPH Thioredoxine 1 reductase Complexe III CuZnSOD (Sod1) O.- 2 H 2 O 2 Rappels sur la production et la régulation des ROS dans la cellule (O 2.- : NADPH oxydase; NO: NOsynthase) Complexe I 8-oxodG 8-oxoguanine DNA Glycosylase (Ogg1)

13 H 2 O 2 2GSH NADP + ROOH 2GSH NADP + 2H 2 O GS-SG NADPH + H + 2ROH GS-SG NADPH + H + Utilisation du glutathion pour éliminer les péroxydes rapport GSH/GSSG Cycle du glutathion et enzymes associées

14 Activation de la voie Nrf2 protéasome ROS Polluants Antioxydants phosphorylation SH- SH- Keap1 P Nrf2 Keap1 -SH -SH P MA Nrf2 F ARE Transcription Dans des conditions basales, la protéine Nrf2 s associe à Keap1. Keap1 recrute un complexe protéique composé de Cul3/Rbx1/E2.L ubiquitine ligase E2 permet d ubiquitinyler la protéine Nrf2 et de l envoyer vers le protéasome pour être dégradée. En présence d oxydants (ROS) ou d antioxydants ou par phosphorylation, Keap1 peut se détacher de Nrf2 et Nrf2 libérée peut transloquer vers le noyau, se fixer aux Antioxidant Responsvie Element et déclencher l expression génique des enzymes anti-oxydantes: Hemeoxygenase (HO1), NADPH Quinone oxydoreductase (NOQ1), Glutathion-Stransferase (GST), Glutathion peroxydase, Glutathion reductase,γ-glutamate-cysteine synthetase (γ-gcs) On remarque que les enzymes responsables de la synthèse de GSH sont principalement induites par cette voie pour répondre rapidement au stress oxydant.

15 Effet antioxydant de la hème oxygénase (HO-1)

16 Dans le SNC, la voie Nrf2 est surtout représentée dans les astrocytes: ils contribuent ainsi à la protection des neurones par l intermédiaire du GSH. Cette voie est très étudiée pour la recherche d agent protecteurs des maladies neurodégénératives.

17 La voie NrF2 est activée par de nombreux antioxydants naturels présents dans la nourriture (sulforaphane, curcumine, EGCG, ). Elle semble impliquée dans l effet bénéfique du healthy lifestyle! Ces antioxydants peuvent aussi moduler des voies liées à la régulation du métabolisme énergétique (voir schémas suivants).

18 Activation de voies de protection cellulaire par des antioxydants: rôle de protection dans les maladies psychotiques? Le taux de GSH est crucial pour une activité optimale des neurones: son déficit est associé à de nombreuses maladies du SNC

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20 Restriction calorique et hormésie du statut redox RESTRICTION CALORIQUE Réduction des taux d insuline et d IGF-1 Absence de glucose Augmentation du taux de NAD+ resvératrol Autophagie LONGEVITE Voies métaboliques activées par la restriction calorique et qui augmentent la longévité.

21 Restriction calorique Déficit en glucose Autophagie LONGEVITE Croissance/vieillissement Relations entre la restriction calorique, les sirtuines, mtor et p53 La restriction calorique et le resvératrol activent l autophagie via les sirtuiines et augmentent la durée de vie. La voie de mtor ( mammalian Target of Rapamycine ) augmente la croissance cellulaire et le vieillissement en percevant la biodisponibilité des micronutriments par les voies de la PI-3K et de l AMPK. Le resvératrol et la rapamycine bloquent la voie de mtor. La restriction calorique et p53 inhibent aussi mtor par activation de modulateurs négatifs PTEN, TSC2 et AMPK. Les sestrines, produits des gènes cibles de p53, activent l AMPK qui active TSC2 par phosphorylation et inhibent ainsi mtor. De même, un déficit en glucose inhibe mtor par activation de TSC1/2. TSC = tuberous sclerosis complex. Les protéines TSC1 (Hamartin) et TSC2 (Tuberin) sont deux protéines ayant un effet suppresseur de facteurs de tumeurs.

22 L activation de FOXO permet d augmenter la longévité (C. Elegans) par l expression de protéines impliquées dans la longévité comme les enzymes antioxydantes. Cette voie est activée par l AMPK et les JNK.

23 Hormésie induite par l hypoxie Une hypoxie modérée peut entraîner l activation de facteurs qui contribuent à l approvisionnement en oxygène (vascularisation) et permettent de lutter contre les effets d une hypoxie/ischémie plus sévère. Préconditionnement cardiaque (1986). Phénomène observé sur de nombreux organes dont le cerveau. Le préconditionnement met enjeu de nombreux mécanismes dont l activation de facteurs HIF conduisant à des effets génomiques.

24 Mécanisme d activation d HIF1α

25 Mécanisme d activation d HIF1α : en normoxie formation d un complexe conduisant à l ubiquitinylation et la dégradation d HIF1α.

26 Expression génique stimulée par les HIF (en violet ceux activés directement par HIF1) et conduisant à une augmentation de la vascularisation.

27 HIF et cellules cancéreuses? Les facteurs HIF jouent un rôle majeur dans la progression tumorale.

28 Relation entre HIF et Alzheimer? Le rôle des facteurs HIF est très controversé dans la progression des maladies neurodégénératives: ils peuvent activer à la fois des facteurs pro- et anti-alzheimer

29 Rôle de l activité sportive

30 L exercice physique conduit à une augmentation de la concentration en ROS dans les cellules ce qui entraîne des modifications génomiques et cellulaires, augmentant les défenses antioxydantes.

31 Article

32 Mesure de la viabilité des cellules PC-12 (pheochromocytome): modèle de cellules libérant des catécholamines. 6-OHDA: toxique des cellules à catécholamines.

33 Mesure de l apoptose : effet antiapoptotique de la berberine

34 Activation de la PI3K, AKT et Nrf2 par la berberine

35 Effet d un bloqueur de la PI3K sur l effet de la berberine (1)

36 Effet d un bloqueur de la PI3K et de la HO-1 sur l effet de la berberine (2)

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38 Mesure de l action de la berberine sur les neurones dopaminergiques de zebra fish. Les neurones dopaminergiques sont marqués avec un anticorps dirigé contre la tyrosine hydroxylase (TH).

39 Mesure de l action de la berberine sur l activité locomotrice du zebra fish.

40 Schéma récapitulatif

41 Early life stressors (next lecture) Prenatal stress Postnatal stress Cell reprogramming