Métabolisme des lipoprotéines de haute densité Metabolism of high-density lipoproteins Gérald Luc* points FORTS Les lipoprotéines de haute densité (HDL) sont hétérogènes au regard de leurs propriétés physicochimiques. L hétérogénéité des HDL est la conséquence du métabolisme des différentes particules lipoprotéiques qui les composent. Le métabolisme des HDL est la conséquence de l activité de nombreux facteurs : enzymes intravasculaires comme la LCAT, la CETP et la PLTP, enzymes situés à la surface de l endothélium capillaire, lipases (lipoprotéine lipase, lipase hépatique, lipase endothéliale) et récepteurs (ABCA1, SR-B1). Le métabolisme des HDL est lié à celui des lipoprotéines contenant l apolipoprotéine B, en particulier par l échange de lipides entre ces différentes lipoprotéines. Les HDL sont principalement le support du transport du cholestérol des tissus périphériques vers le foie, ce qui est en accord avec leur rôle protecteur vis-à-vis de l athérosclérose, mais elles ont d autres propriétés (antiinflammatoires, antiagrégantes, antioxydantes), probablement variables selon les particules. Mots clés : HDL CETP LCAT PLTP Lipases ABCA1 SR-B1. Keywords: HDL CETP LCAT PLTP Lipases ABCA1 SR-B1. L a relation inverse entre la concentration plasmatique des lipoprotéines de haute densité (HDL) que cette concentration soit représentée par celle de leur contenu en cholestérol (HDL-c) ou par celle de l apolipoprotéine A1 (apo A1) et le risque d athérosclérose coronaire est connue depuis longtemps (1, 2). De nombreux arguments militent en faveur d un rôle biologique * Inserm U545, Institut Pasteur de Lille, université de Lille-II, service de médecine interne A, CHU de Lille, et faculté de Médecine, Laboratoire JK, Lille. direct des HDL dans cette protection de la paroi artérielle. Les HDL possèdent en effet de nombreuses propriétés biologiques susceptibles d expliquer leur rôle protecteur : participation au transport inverse du cholestérol, c est-à-dire au transport du cholestérol de la paroi artérielle vers le foie, où le cholestérol sera éliminé hors de l organisme par l intermédiaire de l excrétion biliaire, propriétés anti-inflammatoires, propriétés antioxydantes et propriétés antiagrégantes plaquettaires, et rôle dans l immunité. Le rôle des HDL dans le transport inverse du cholestérol paraît être majeur. Cependant, il n existe aucune preuve directe qu une modification des HDL puisse influer sur le risque cardiovasculaire. Ainsi, il n existe aucun médicament ayant pour seul effet l augmentation de la concentration des HDL, ce qui aurait permis de faire une démonstration directe et définitive. Certes, l injection d une apo A1 recombinante simulant une augmentation de la synthèse des HDL s est révélée avoir un effet protecteur (3), mais un médicament augmentant fortement les HDL est apparu inefficace et même délétère vis-à-vis de la pathologie coronaire (4). Comme il semble néanmoins avéré que les HDL jouent un rôle direct majeur dans le développement et l apparition de la lésion d athérosclérose, une recherche intense s est développée depuis quelques années autour de cette thématique. Métabolisme de l apolipoprotéine A1 Le métabolisme des HDL in vivo chez l homme a été analysé essentiellement grâce à la mesure du métabolisme de l apo A1. Une telle mesure suppose un marquage de l apo A1 par un isotope radioactif ou par un isotope stable, ce qui permet de suivre la protéine dans l organisme et de déterminer quantitativement son catabolisme et sa synthèse, qui sont les deux paramètres déterminant la concentration plasmatique de l apo A1. Les résultats varient selon la méthodologie employée. Celle qui semble la plus appropriée 151
pour connaître le principal paramètre métabolique déterminant la concentration plasmatique de l apo A1 utilise les molécules marquées par un isotope stable. Grâce à cette méthodologie, il a été montré que la concentration de l apo A1 dépendait essentiellement de sa production quantitative (5). Chez l homme, la synthèse de l apo A1 paraît être essentiellement d origine hépatique, avec une très faible participation de l intestin (6). Cependant, cette analyse pose comme hypothèse que l apo A1 présente à la surface des particules HDL est dotée d un métabolisme homogène, c est-à-dire se comporte de façon similaire quelle que soit la particule, ce qui n a pas été démontré. Comme l apo A1, il semble que la source majeure du cholestérol des HDL soit également d origine hépatique. En effet, l absence du récepteur ABCA1 au niveau du foie chez la souris réduit de façon très importante la concentration des HDL. Hétérogénéité des HDL Les particules HDL ont été initialement définies par leur densité hydrique, située entre 1,063 et 1,21 g/ ml. Leur analyse ultérieure a montré une hétérogénéité considérable quant à leur taille et à leur composition (7). Globalement, les protéines représentent environ 50 % de leur poids et sont constituées essentiellement de l apo A1 et de l apo A2 ; nombre d autres constituants protidiques mineurs (apo A4, A5, C1, C2, C3, D, E et SAA) étant également présents à leur surface. L autre partie des HDL est constituée de phospholipides, de cholestérol et d une faible quantité de triglycérides. Ces moyennes recouvrent en réalité une très grande hétérogénéité, mise en évidence depuis de nombreuses années (8). Cette hétérogénéité peut être observée en utilisant les propriétés physicochimiques des différentes particules situées dans l intervalle de densité des HDL. Les propriétés principales utilisées pour distinguer les différentes fractions de HDL sont la taille et la charge électrique. La nomenclature concernant la charge électrique est calquée sur la migration des protéines plasmatiques en électrophorèse. La majorité des HDL a une charge de type α, une forme sphérique et une taille située entre 9,5 et 17 nm, mais une fraction des HDL a une migration de type pré-bêta (pré-β) et une taille très variable, soit faible, de 4 à 7 nm, soit plus importante, de 10 à 12 nm. Il existe également une fraction dont la migration est de type pré-alpha (pré-α). Les fractions de HDL sont ainsi définies par les critères de taille et de charge électrique, et l application pratique consécutive de ces deux critères a permis de définir plusieurs sous-fractions (figure 1). Les pré-β- HDL sont subdivisées en sous-fractions pré-β1-hdl et pré-β2-hdl, tandis que les pré-α-hdl sont subdivisées en pré-α1- et pré-α4-hdl. Cette classification a permis d analyser de façon approfondie la transformation métabolique d une fraction de HDL en une autre, et de définir les mécanismes de cette transformation en fonction des différents acteurs métaboliques (récepteurs, enzymes plasmatiques) impliqués. Métabolisme des particules HDL Formation des particules pré-β-hdl L apo A1 est excrétée libre ou liée à quelques molécules de phospholipides. La liaison de quelques molécules de phospholipides à une molécule d apo A1 se réalise par interaction, soit au sein du reticulum endoplasmique, soit avec des microdomaines spécifiques des membranes cellulaires situés à la surface de la cellule. L observation selon laquelle l apo A1 pouvait capter des phospholipides à l intérieur de la cellule au cours d un phénomène de rétroendocytose est à l origine de la description du premier mécanisme (9). Les particules résultant de l interaction de l apo A1 et de quelques molécules de phospholipides constituent des particules appelées préβ1-hdl, qui ont la forme de petits disques constitués d une couche bilamellaire de phospholipides associée à une molécule d apo A1. Les particules pré-β1-hdl peuvent être sécrétées par les hépatocytes et les macrophages, mais non par d autres cellules comme les entérocytes, la majorité de ces particules ayant une origine hépatique. L expression du récepteur ABCA1 n est pas nécessaire à la formation des particules pré-β1-hdl (10). Ces particules pré-β1-hdl vont interagir avec le récepteur ABCA1 situé à la surface de nombreuses cellules périphériques, essentiellement hépatiques. Le récepteur ABCA1 est essentiel à la transformation des pré-β1-hdl en α-hdl, comme le montrent les observations effectuées chez les sujets atteints de la maladie de Tangier de façon homozygote. Chez ces sujets, l activité du récepteur ABCA1 est génétiquement absente et l apo A1 n est présente que dans des particules pré-β1-hdl, les particules α-hdl étant absentes (11). La même observation a été faite chez les souris ayant un déficit en ABCA1, souris qui présentent le même profil que les patients atteints de maladie de Tangier (12), ou dans le milieu de culture de cellules sécrétant l apo A1 et traitées par un inactivateur de ABCA1 (13). Cependant, si le récepteur ABCA1 est indispensable à la transformation des pré-β1-hdl en particules de plus grande taille, la partie C-terminale de l apo A1 l est également, comme le montrent des expériences dans lesquelles la partie C-terminale de l apo A1 a été supprimée (14). 152
Taille (nm) 17,0 9,51 7,10 4,66 pré-β1 pré-β2 Charge électrique Figure 1. Fractions des HDL séparées en fonction de leur charge électrique et de leur taille. Le plasma est déposé et les composants migrent dans un champ électrique. Puis les composants ainsi séparés sont déposés sur un gel non dénaturant permettant de les séparer en fonction de leur taille. Le contenu en apo A1 et en apo A2 est révélé par des anticorps spécifiques. α pré-α HDL contenant l apo A1 mais pas l apo A2 HDL contenant l apo A1 et l apo A2 en particules discoïdales appelées α4-hdl. Le cholestérol libre des α4-hdl situé à la surface de ces particules est estérifié en esters de cholestérol, l acide gras se fixant sur la molécule de cholestérol au cours de la réaction provenant des phospholipides (essentiellement de la phosphatidylcholine, qui est transformée en lysophosphatidylcholine). Cette estérification est catalysée par une enzyme plasmatique, la LCAT (lecithin cholesterol acyltransferase). Les esters de cholestérol, étant des molécules hydrophobes, vont migrer de la surface des particules vers le centre de celles-ci, ces dernières devenant sphériques. Ainsi, le gradient de concentration du cholestérol libre entre la membrane cellulaire et la surface des HDL va persister et favoriser la poursuite du processus de captation du cholestérol par les HDL. Au fur et à mesure de leur enrichissement en esters de cholestérol, ces particules deviennent sphériques et augmentent de diamètre, devenant des particules α3-hdl, puis α2-hdl. La poursuite de ce processus entraîne l apparition de HDL sphériques de grande taille appelées α1-hdl et de particules HDL de très grande taille (figure 2). Outre le récepteur ABCA1, d autres récepteurs comme ABCG1 et ABCG4 permettent la captation du cholestérol membranaire des macrophages par des HDL sphériques de type α2 ou α1 (15). ABCG1 redistribue le cholestérol cellulaire au sein de domaines qui interagissent préférentiellement avec des HDL de grande taille, et non avec des particules pauvres en lipides (16). L importance relative de l activité de ABCA1 et ABCG1 au sein des macrophages dans le processus d efflux de l excès de cholestérol par ces cellules n est pas connue. Transformation des particules α-hdl Transformation des pré-β-hdl en α-hdl Une présence basale de phospholipides au sein des particules initiales de HDL est indispensable à la captation de cholestérol cellulaire par les particules pré-β1-hdl lors de leur interaction avec le récepteur ABCA1. Cette interaction va permettre à ces particules de capter du cholestérol libre et une quantité supplémentaire de phospholipides, ce qui entraîne une augmentation de la taille de ces particules, lesquelles se transforment Simultanément à ce processus, les lipoprotéines riches en triglycérides sont soumises à l action de la lipoprotéine lipase (), ce qui permet outre l hydrolyse des triglycérides de ces lipoprotéines la libération, à partir de leur surface, de phospholipides et de cholestérol libre qui vont enrichir les particules HDL, ou permettre la formation de particules contenant l apo A1 mais pauvres en lipides, c est-à-dire des pré-β-hdl. L ensemble de ces particules α-hdl va subir une transformation intravasculaire liée à la présence de 153
Cellule périphérique ABCA1 pré-β1 A1 libre Foie Intestin PL CL α4 PL CL LCAT α3 LCAT Cubiline Rein Figure 2. Métabolisme des particules HDL. Le métabolisme des HDL présente de nombreuses étapes : 1) sécrétion de l apo A1 et association avec des phospholipides pour la synthèse des pré-β1-hdl ; 2) addition de phospholipides et de cholestérol libre grâce à l interaction avec des cellules par l intermédiaire de l activité du récepteur ABCA1 ; 3) estérification du cholestérol via l activité LCAT et transformation des α2-hdl en α1-hdl et en HDL de grande taille ; 4) lipolyse des triglycérides des lipoprotéines riches en triglycérides permettant l enrichissement des HDL en lipides ; 5) transfert des triglycérides des lipoprotéines contenant l apo B vers les HDL, et des esters de cholestérol dans le sens inverse, cet échange étant médié par la CETP ; 6) captation sélective des esters de cholestérol par les hépatocytes grâce à l interaction avec le récepteur SR-B1 ; 7) conversion des α1-hdl en α2-hdl par la lipase hépatique ; 8) fusion de particules HDL et libération de pré-α1-hdl catabolisées par la PLTP ; 9) hydrolyse des phospholipides des α1-hdl par la lipase endothéliale et la phospholipase permettant la synthèse des pré-β1-hdl ; 10) catabolisme de l apo A1 et des pré-β1-hdl par le rein par interaction avec la cubiline. EL : lipase endothéliale ; PLTP : phospholipid transfer protein ; CETP : cholesteryl ester transfer protein ; : lipase lipoprotéique ; HL : lipase hépatique ; LCAT : lecithin cholesterol acyltransferase ; PL : phospholipides ; CL : cholestérol libre. EL α2 PLTP PLA2 HL α1 Foie SR-B1 CETP Large HDL VLDL, LDL nombreux acteurs. Un échange équimoléculaire d esters de cholestérol et de triglycérides s effectue entre les α2-hdl, les α1-hdl et les HDL de très grande taille d une part, et les lipoprotéines présentant l apo B à leur surface (chylomicrons, VLDL et LDL) d autre part. La CETP (cholesteryl ester transfer protein) catalyse cet échange, une molécule d ester de cholestérol migrant des HDL vers les lipoprotéines contenant l apo B, et une molécule de triglycérides suivant le chemin inverse (17). L activité de la CETP est essentielle pour la formation des α1-hdl et des préα-hdl contenant l apo A1, mais non l apo A2. Cet échange entraîne un enrichissement des HDL en triglycérides, particules qui deviennent un substrat à haute affinité pour des enzymes telle que la lipase hépatique. Cette dernière est une enzyme située à la surface des capillaires sinusoïdes du foie et joue un rôle important dans la lipolyse des phospholipides, et donc dans la diminution quantitative de ceux-ci au sein des HDL. Cette activité modifie la structure des HDL qui diminuent de taille, transformant des particules α1-hdl en α2-hdl. Les HDL de grande taille peuvent interagir avec une lipase endothéliale (EL) et/ou des phospholipases A2, deux enzymes qui hydrolysent les phospholipides. La EL a été mise en évidence de façon récente et fait partie, comme son nom l indique, de la famille des lipases, famille dont les autres membres impliqués dans le métabolisme des lipoprotéines sont la lipoprotéine lipase () et la lipase hépatique. Cependant, si la a une activité essentiellement de dégradation des triglycérides et la lipase hépatique une activité mixte hydrolysant à la fois les triglycérides et les phospholipides, la EL hydrolyse essentiellement les phospholipides (18). Ainsi, la EL va hydrolyser les phospholipides des HDL et participer de ce fait au métabolisme des HDL. L activité de la EL est présente de façon majoritaire dans le foie. L inhibition de la EL chez la souris, quel qu en soit le moyen injection d anticorps ou suppression de l expression du gène de la EL entraîne une augmentation de la concentration des HDL (19). Inversement, la surexpression de la EL chez la souris diminue la concentration de l apo A1 et du HDL-cholestérol ainsi que la concentration des phospholipides des HDL. Elle est associée à une diminution de la taille des HDL, qui sont appauvries en phospholipides. Or, la perte de phospholipides des HDL diminue l affinité de la EL pour ces particules. L apo A1 libre est plus rapidement catabolisée, en particulier par le rein, d où la diminution de la concentration des HDL en cas d activité élevée de la EL. Les particules qui résultent de l activité combinée de la EL et des phospholipases sont des pré-β1-hdl. L apo A1, support des particules inclues dans la transformation des pré-β1-hdl en α-hdl et vice versa, peut ainsi être recyclée à plusieurs reprises. La PLTP est une protéine présente dans le plasma qui induit un transfert de phospholipides entre particules lipoprotéiques et entre lipoprotéines et membranes cellulaires. La PLTP intervient ainsi en permettant le transfert des phospholipides libérés lors de la lipolyse par la vers les autres lipoprotéines, en particulier les HDL (20). L augmentation de l expression de la PLTP chez la souris induit une augmentation de la concentration des pré-β- HDL et des α-hdl, mais sans modifier 154
leur structure (21). La PLTP induit une fusion de α-hdl en particules de plus grande taille, lesquelles sont instables et se décomposent en α-hdl de plus petite taille et en pré-β-hdl. Les esters de cholestérol présents au sein des α2-hdl, des α1-hdl et des HDL de grande taille peuvent faire l objet d une captation sélective par les hépatocytes grâce à l interaction des HDL avec le récepteur SR-B1 situé à la surface de ces cellules. Ce récepteur permet aux esters de cholestérol d être transférés de ces HDL vers le cytoplasme cellulaire sans internalisation ni captation de la particule HDL elle-même. Il s ensuit ainsi une diminution de taille des HDL, le cholestérol capté par les hépatocytes étant excrété dans la bile, soit sous forme libre, soit après transformation en acides biliaires. Les HDL qui en résultent sont des particules α4-hdl, donc des HDL de petite taille qui ferment le cycle de transformation intravasculaire des HDL. Il existe ainsi plusieurs cycles possibles de transformation des HDL, cycles qui permettent tous la captation du cholestérol en excès dans les cellules périphériques pour le transporter vers le foie, seul organe capable d excréter le cholestérol hors de l organisme. Tous ces cycles métaboliques ont en commun la transformation de particules α4- HDL en particules de grande taille et vice versa. Ils permettent donc une utilisation optimale de l apo A1, qui les parcourt, à de multiples reprises. Certaines transformations des HDL aboutissent à la formation des particules pré-β1-hdl, essentielles dans la captation du cholestérol des cellules périphériques. Catabolisme de l apo A1 Le rein est l organe principal de la clairance de l apo A1 (22). L apo A1 catabolisée par le rein est essentiellement l apo A1 libre ou très faiblement associée aux phospholipides. Il a été montré que les pré-β-hdl sont soit rapidement catabolisées par le rein, soit transformées en HDL matures avec un catabolisme plus lent (23). Ainsi, les sujets atteints de la maladie de Tangier et qui présentent l apo A1 quasiment exclusivement sous forme de pré-β- HDL ont un catabolisme très rapide de l apo A1 (24). Le déplacement de l apo A1 des HDL par l apo A2, protéine plus hydrophobe, a pour effet de libérer l apo A1 dans le plasma et d augmenter son catabolisme (25). En effet, la membrane de filtration glomérulaire a une capacité de filtration des molécules plasmatiques qui diminue en fonction de leur poids moléculaire. Seules les HDL de petite taille, soit les pré-β-hdl, soit l apo A1 libre, peuvent ainsi traverser la barrière glomérulaire, et elles le font à un faible niveau. L apo A1 filtrée peut alors se lier à la cubiline, protéine située à la surface apicale des cellules de l épithélium du tubule proximal (26). La cubiline est couplée à une autre protéine, l amnionless, le complexe cubiline-amnionless possédant une fonction d endocytose. La liaison de l apo A1 à ce complexe permet donc l endocytose de l apo A1 et sa dégradation probable par le rein. n Références bibliographiques 1. Castelli WP, Doyle JT, Gordon T et al. HDL cholesterol and other lipids in coronary heart disease: the cooperative lipoprotein phenotyping study. Circulation 1977;55:767-72. 2. Luc G, Bard JM, Ferrieres J et al. Value of HDL cholesterol, apolipoprotein A-I, lipoprotein A-I, and lipoprotein A-I/A-II in prediction of coronary heart disease: the PRIME study. Prospective Epidemiological Study of Myocardial Infarction. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2002;22:1155-61. 3. Nissen SE, Tsunoda T, Tuzcu EM et al. Effect of recombinant apoa-i Milano on coronary atherosclerosis in patients with acute coronary syndromes: a randomized controlled trial. JAMA. 2003;290:2292-300. 4. Tall AR, Yvan-Charvet L, Wang N. 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