Produits de glycation

et

résistance à l’insuline

J GIUDICELLIJean GIUDICELLILaboratoire de Biochimie – Biologie Moléculaire / INSERM U-907

CHU de Nice - Faculté de médecine - Nice

La glycation des protéines est un processus dépendant de l’activation d’enzymesLa glycation des protéines est un processus dépendant de l activation d enzymes

Chez le diabétique, la glycation des protéines est une conséquence directe de l’hyperglycémiel hyperglycémie

La glycation est un processus qui n’affecte que les protéines

La glycation est un processus strictement extracellulaire

RAGE est spécifique des AGE. En conséquences les AGEs sont ses seuls ligands

P i l é t AGE l RAGE t bl d’i d i l’ ti ti dParmi les récepteurs aux AGEs, seul RAGE est capable d’induire l’activation de voies de signalisation en réponse à la fixation du ligand (AGE)

Les α-cétoaldéhydes ne sont générés qu’à l’intérieur de la cellule en réponse aux AGEs

L éth l l l t ét ldéh d d it à ti d’ i t édi i d lLe méthylglyoxal est un α-cétoaldéhyde produit à partir d’un intermédiaire de la glycolyse

L’efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines estL efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines est supérieure à celle du fructose

Il n’existe qu’un nombre restreint de produits de glycation avancée

HbA1c est une forme glyquée de l’hémoglobine

La formation des produits d’Amadori est réversible

La résistance à l’insuline est augmentée par l’action des AGEsg p

Les AGEs génèrent directement ou indirectement du stress oxydant

La montée du diabète à l’échelle mondiale

Time Magazine November 5, 2001

Projections globales concernant l’épidémie diabète 2000 -20102000 2010

84.5132 3

14.217.523%

26.532.924%

132.357%

9 4

15.6

9.414.150%

1.01.3

Worldwide2000 = 176 millions

15.622.544%

33%2010 = 221 millions2025 = 300 millions

Diabète et Santé PubliqueAprès 12 ans le diabétique développe dans + 50% des cas des complications vasculaires

Complications macrovasculaires

Après 12 ans le diabétique développe dans + 50% des cas des complications vasculaires

75 % des diabétiques meurent des complications de l’athérosclérose :• angine de poitrine et infarctus du myocarde (10 à 15 % des infarctus

surviennent chez les diabétiques)q )• artériopathie des membres inférieurs / accidents vasculaires cérébraux

Complications microvasculairesComplications microvasculaires

10 % des personnes dialysées, atteintes d’une maladie rénale sévère, sontdiabétiquesdiabétiques

L’amputation 5 à 10 % des diabétiques sont ou seront amputés del’orteil du pied ou de la jambe 1 million de personnes amputées dans le

Les troubles de la vision

l orteil, du pied ou de la jambe. 1 million de personnes amputées dans lemonde

Les troubles de la vision 2 % des diabétiques sont aveugles

10 % ont une baisse de l’acuité visuelle

DIABETES : glycémie à jeun ≥ 1,26 g/l

Pancréas

Îlot de Langerhans

Glucagon

Résistance à l’insuline (DT2)

Glucagon

InsulineCellule β

Insuline

GlucoseDéficit insulinique (DT1)

Muscle et TA : GLUT4 et captation glucose diminuent

Foie : production et sécrétionFoie : production et sécrétion glucose augmentent

Pathogenesis of Type 2 Diabetes

Genes

InsulinResistance

Alterations in expression Type 2expression

and/or function of genes and

t i

Type 2diabetes

proteins

Pancreatic

Environment

Isletdysfunction

Environment

Pathogenesis of Type 2 Diabetes

Genes Glucose intoleranceType 2 Diabetes

InsulinResistance

HypertensionCentral obesityType 2 Diabetes

Alterations in expression Type 2

Acceleratedatherosclerosis

Dyslipidemiaexpression

and/or function of genes and

t i

Type 2diabetesInsulin Resistance

proteins

PancreaticHepatic steatosis

gallstonesReproductive dysfunction

Environment

Isletdysfunction

Alzheimer’sneurodegeneration

Impaired longevity and some cancers

Environment

ACTIONS METABOLIQUE DE L’INSULINE

Pancreas

Cellules βCellules β

InsulineInsuline

résistance à insuline

Adipocyte foie Muscleadipocyte

Gl t t

foie muscle

Gl t t

LipogenèseTransport glucose Glucose production

GlycogenèseTransport glucoseGlucose transport

LipolysisGlucose production Glycogenèse

Glucose transport

glucoseAcides grasSang

ALTERATIONS TISSULAIRES ET HYPERGLYCEMIE

ÉHYPERGLYCÉMIE

Voie de la glycation

Voie des polyolsglycation polyols

Sorbitol et fructose Glycation des protéines

Formation des AGEsprotéines

ROSEffets osmotiques

Altérations des fonctions et duturnover des protéines

Production decytokine inflammatoires

Brownlee M. Metabolism. 2000;49(suppl 1):9-13; Greene DA et al. N Engl J Med. 1987;316:599-606; Sheetz MJ, King GL. JAMA. 2002;288:2579-2588

GLUCOTOXICITEL’H l é i iL’H l é i i ti lti l l é éti d’i lil é éti d’i liL’Hyperglycémie aigue L’Hyperglycémie aigue stimulestimule la sécrétion d’insulinela sécrétion d’insuline

L’HyperglycémieL’Hyperglycémie chroniquechronique diminuediminue lala sécrétionsécrétionL HyperglycémieL Hyperglycémie chroniquechronique diminuediminue lala sécrétionsécrétiond’insulined’insuline

Modification de l’affinité et du nombre Modification de l’affinité et du nombre de transporteurs GLUT de transporteurs GLUT 2 2 de la cellule de la cellule ββDéveloppementDéveloppement d’und’un stressstress endoplasmiqueendoplasmique surproductionsurproductiond’insulined’insulineProduction de radicaux libres (ROS)Production de radicaux libres (ROS)

Accumulation d’AGEAccumulation d’AGEAccumulation d’AGE Accumulation d’AGE

A court terme A court terme prolifération prolifération des cellules des cellules ββ

A long terme A long terme apoptose apoptose des cellules des cellules ββ

GLYCATION NON ENZYMATIQUEL’hyperglycémie chronique est impliquée dans la survenue descomplications macro et surtout microangiopathiques parl’intermédiaire de l’exacerbation de 4 voies métaboliques :

• la voie des polyols• l’activation des hexosamines• l activation des hexosamines• l’activation accrue d’isoformes de PKC• la glycation non enzymatique des protéines

Ces voies sont toutes intriquées et aboutissent à unstress oxydantstress oxydant

EXACERBATION DE 4 VOIES MÉTABOLIQUESGlucose

Polyol pathway

NADPH NADP+ NAD+ NADH

Sorbitol Fructose

Gluc 6-PPolyol pathway

Glucosamine 6 P UDP GIcNacGFAT

Fruct 6-PHexosamine pathway

Gln GluGlucosamine-6-P UDP-GIcNac

NADH NAD+

α-Glycerol-PDHAP DAG PKCGly 3-P Protein kinase C pathway

NAD+

α Glycerol PDHAP DAG PKC

AGE pathway

NAD

NADHGAPDH

O .-Methylglyoxal AGEs

1,3 Di-P-glycerateAGE pathwayO2

.-

adapted from M. Brownlee, (Nature 2001)OH

.

GLYCATION

«...Toutes les réactions fixant un sucre à uneprotéine ou à un peptide qu’ils forment ou non uneprotéine ou à un peptide, qu ils forment ou non uneliaison glycosidique.Le produit de la glycation est une glycoprotéine...»e p odu t de a g ycat o est u e g ycop oté eIUPAC-IUB Joint Commission on Biochemical Nomenclature,Eur J Biochem, 1986, 159, 1-6

Glycation enzymatique Gl l ti

Glycation non tiGlycosylation

(glycoprotéines)enzymatique(protéines glyquées)

processus pathologiqueprocessus physiologique

GLYCATION NON ENZYMATIQUE

Identifiée plus récemment chez l’homme :

augmentée au cours du diabète de type 2 (années 60-70)

«physiologique» à un niveau basal (années 70-80)physiologique à un niveau basal (années 70 80)

impliquée dans de nombreuses pathologies (depuis 90)

NéphropathiesRétinopathiesRétinopathiesNeuropathies (Alzeimer)

Rapport des références Medline passées de 10 en 1980 à 1600 en 2000

GLYCATION NON ENZYMATIQUE

La glycation concerneToutes les protéines de l’organisme :► Toutes les protéines de l organisme :

circulantes / tissulaires extracellulaires / intracellulaires

►

Toutes les molécules comportant des groupements aminés :ADN

►ADNLipides

Tous les intermédiaires métaboliques comme ceux de la► Tous les intermédiaires métaboliques, comme ceux de laglycolyse ou de la voie des polyols, peuvent réagir

►

La glycation est une réaction :Générale (in vivo/in vitro) - Irréversible et cumulativeQui procèdent en plusieurs étapes

GLYCATION NON ENZYMATIQUE

Réactions d’additions qui impliquent :

Groupements aminés d'une protéineComposants structuraux :

p pgroupement α-aminé de l'acide aminé N-terminalgroupement aminé d'un résidu de la chaîne protéique

►

► groupement aminé d un résidu de la chaîne protéique(ε-aminé de lysine, arginine)

►

U i l ( dé i é d' i l )Composants énergétiques

natifphosphorylé

Un ose simple (ou un dérivé d'ose simple)►► phosphorylé

oxydé►►

GLYCATION: PHASES PRÉCOCES

OH R-N

COH

kHC

R-NH2 +k1

k 1-1

CH2OH CH2OH

ProtéinesLipides

Oses :Aldoses,

Base de Schiff

Ac nucléiques (cétoses)

GLYCATION: PHASES PRÉCOCES

R-N R-NH OH

kHC

kHCH

OC

OH

k2k1

k 1

OR-HN

k-1ou

CH2OH CH2OH CH2OHCétosamine Aldosamine

Produits d’AmadoriBase de Schiff

(aldose) (cétose)

Produits d’Amadori(irréversible (HbA1C)

Base de Schiff(réversible)

GLYCATION: LES DIFFÉRENTES PHASESGlucose + R-NH2

heures

méthylglyoxal

Base de Schiff

joursProduits d’Amadori

méthylglyoxalglyoxal

jours

Produits intermédiaires de la glycation(aldéhydes réactives)

oxydations clivages

(aldéhydes réactives)

CML CELsemaines oxydations, clivages, pontages

CML ; CEL…Pentosidine

semainesmois

Produits avancés de la glycation(advanced glycation end products ou AGE)

GLYCATION DES PROTÉINES

Glucose

Glycolyse (Dégradation)B d S hiff

Pr NH2

Glycation

Glycolyse ( g )

Voie des Polyols

Base de Schiff

Produits d’AmadoriTrioses Phosphate d Amadori

(α-cétoaldéhydes)

Glyoxal Methylglyoxal 3-Deoxyglucosone

Advanced Glycated End products (AGEs)

PRODUITS AVANCÉS DE GLYCATION (AGEs)Caractérisés par une très grande hétérogénéité

1. Carboxymethyllysine2 Pyrraline

Caractérisés par une très grande hétérogénéité

2. Pyrraline3. Pentosidine4. Glyoxal-lysine-dimer

5. Methyl-glyoxal-lysine-dimer6. Lysylpyrropyrine7. Vesperlysine8. Dehydrofuroimidazole9. Crossline10.Imidazolone11.Glucosepan12 Crosspy12.Crosspy13.Crossline14.Imidazolone15.Glucosepan16.Crosspy

FACTEURS INFLUANT SUR LES RÉACTIONS DE GLYCATION

Facteurs physico-chimiquesp y q- pH- Température

Facteurs liés à la protéine- Concentration - Durée de vie- Caractères des groupements réactifs

( é )(nombre, accessibilité, environnement)

Facteurs liés à l'oseFacteurs liés à l ose- Nature de l’ose- Concentration

Réactivité des oses simples

Oses k1 (x103 mM-1 h-1)Oses k1 (x10 .mM .h )

Ribose 10,0Fructose 4,5Mannose 3,2X l 2 9Xylose 2,9Galactose 2,8Glucose 0 6Glucose 0,6

L l l’ d l i é ifLe glucose est l’un des oses les moins réactifs

(Bunn & Higgins, Science, 1982, 213, 222-244)

ACTIONS CELLULAIRES DES PRODUITS DE GLYCATION

L l ti é è d è é ti d l’ è t

GLYCATION

La glycation génère des espèces réactives de l’oxygène etfavorise le stress oxydant à tous les stades :

- produits d’Amadori

- produits intermédiairesp

- AGEs

Cette génération du stress oxydant peut se s’effectuer :

à partir des composés eux-mêmes

i t ti d’ t lé l (li id )par interactions avec d’autres molécules (lipides…)

EFFETS CELLULAIRES INDUITS PAR AGES

Alterations des interactions

Fonctions anormales des protéines plasmatiques

AGEs

AGE Recepteurs

glycation ROSg yIntracellulaire

ét ld h d↑NFκB Facteurs de croissance

C t kiα-cétoaldehydes Cytokinespro-inflammatoires

GlucosemRNA

Protéines

INTERACTION DES AGE RECEPTEURS MEMBRANAIRESMEMBRANAIRES

AGEs

Cellules endothéliales, musculaires, mésangiales, neurones, macrophages…

80 K-H Gal-3OST- 48 RAGEMSR

InternalisationTransduction

AGE-R1 AGE-R2 AGE-R3

Internalisationdégradation ?

TransductionFonction ?

MSR : macrophage scavenger receptor

RAGE : Receptor of Advanced Glycation End Products

Cellules endothéliales - cellules musculaires lisses - lymphocytes, monocytesneurones – PMN – fibroblastes – péricytes…

N-termLigand

L

CV

Domaine extracellulaire

C’Domaine transmembranaireDomaine intracellulaire (essentiel pour la transduction)

C t

Domaine transmembranaire

C-term

SignalGlycoprotéine 35 kDa

Signal

RAGE : DOMAINES FONCTIONNELS

VL

sRAGEdn-RAGE

CV

Extracellulaire C’ Nt-RAGE

Cytosol

RAGE Délétée domaine Délétée domaine Délétée domaineRAGE(forme complète)

Délétée domaine membranaire

Délétée domaine cytoplasmique

Délétée domaine variable

Localisation Membrane Soluble Membrane MembraneFixation du ligand + + + -

Transduction + - - -

LES RECEPTEURS DES AGEs

MSR: macrophage scavenger receptor Iacobini et al., J Am Soc Nephrol. 2003

ALTÉRATIONS STRUCTURALES DES PROTÉINES GLYQUÉES

Modifications de l’antigénicité- néo-antigénicité- perte d’antigénicité

Modifications du renouvellementaugmentation de la résistance à la protéolyse en raison de la formationaugmentation de la résistance à la protéolyse en raison de la formationdes liaisons croisées (adduits)

Altérations des interactionsAltérations des interactionsprotéiques protéines des matrices extracellulaires.

protéines-cellules : Modification des fonctions cellulaires production de cytokinesp yinflammatoires, stress oxydant, chimiotactisme…)

Altérations structurales des protéines glyquées

Inhibition des effets biologiques

i li- Hormones ou facteurs de croissance (insuline)- Peptides à activité antibactérienne (Lysozyme)

Inhibition d’activité enzymatique

- Aminotransférases (AST, ALT, G 6-PDH; 3 P-GLYDH;l ki )glucokinase….)

- Cu-Zn superoxyde dismutase

- Glutathion réductase, catalase

Effets physiopathologiques de l’axe AGE-RAGE dans la néphropathie diabétique

AGE

p p q

RAGECellules mésangiales, cellules tubules, podocytes

ROS, NFκB, MAPK PKC

VEGF MCP-1; ICAM-1; VCAM-1 AG II

activation desmacrophages

Hyperperméabilitéhyperfiltration

hyperfiltrationTGF-βCTGF

inflammationprotéinurie glomérulosclérose

Nephropathie diabétique

H O

GLYCATION DES PROTEINES

NH2

O[S hiff’ B ](CHOH)

CH O

H2C

C

NH ProteinsProteins

G

O[Schiff’s Base](CHOH)4

CH2OH (CHOH)3

C

Glucose CH2OH

Amadori products

GlucoseMethylglyoxal

AGEsTrioses-P Intracellular AGEs

Trioses-PRAGE

EFFECTS

INSULIN SIGNALING PATHWAY

IRInsulin

GlucoseAGEs DIABETIC

COMPLICATIONS

PY YP

YY

YY

PP

PP

IRSGlut4 ?

PI3K

YY

YY

PP

PP

S-14

SHCGlucose

YYP

Y PY P

P

PI3Kp85p110

Grb2 RasSOSP

PKCζ RafGlut4 PKCζ

PKB

mTORGS

MAPK(ERK-1/2)

Protein synthesisGlycogen synthesisProliferation

DifferentiationGlucose transport

Question : DO AGEs MODIFY INSULIN ACTION ?

Approches :

Etude des effets de l’albumine humaine glyquée (HGA) sur

les réponses biologiques induites par l’insuline au niveau

de cellules musculaires de rat (lignée L6)de cellules musculaires de rat (lignée L6)

Caractériser le mécanisme d’action de HGA

IRInsulin HGA

rat L6 skeletal muscle cells

IR

PY YP

Glucose

R

Glucose

YYY

YYY

PPP

PPP

IRS-1/

Glut4

PKCα

R

PI3Kp85p110

/2

Glucose

Y Y P

SHCPP

PKCα

S Pp85p110

Glut4

YY

Y PY P

Grb2PKCζ

PP

S P

S P

MAPK

PKB

GSMAPK

(ERK-1/2)

Glycogen synthesisGlucose transport

Proliferationdifferentiation

Question : DO MGO MODIFY INSULIN ACTION ?

Approches :

Etude des effets du méthylglyoxal sur les réponses

biologiques induites par l’insuline au niveau de cellules

musculaires de rat (lignée L6)musculaires de rat (lignée L6)

Caractériser le mécanisme d’action de MGO

Modulation of insulin action by glucose and derivatives

HIGH AGESPROTEINS

derivativesHIGH

GLUCOSEAGES

RAGERAGE

PKCα

PGLUCOSE

PS P

INSULIN ACTIONIRSFunction

S Y

INSULIN

TRIOSES-P MGO DegradationMGO

INSULINRESISTANCEMETHYLGLYOXAL (MGO)

La glycation des protéines est un processus dépendant de l’activation d’enzymesLa glycation des protéines est un processus dépendant de l activation d enzymes

Chez le diabétique, la glycation des protéines est une conséquence directe del’hyperglycémiel hyperglycémie

La glycation est un processus qui n’affecte que les protéines

La glycation est un processus strictement extracellulaire

RAGE est spécifique des AGEs. En conséquences les AGEs sont ses seuls ligands

P i l é t AGE l RAGE t bl d’i d i l’ ti ti dParmi les récepteurs aux AGEs, seul RAGE est capable d’induire l’activation devoies de signalisation en réponse à la fixation du ligand (AGE)

Les α-cétoaldéhydes ne sont générés qu’à l’intérieur de la cellule en réponse auxAGEs

L éth l l l t ét ldéh d d it à ti d’ i t édi i d lLe méthylglyoxal est un α-cétoaldéhyde produit à partir d’un intermédiaire de laglycolyse

L’efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines estL efficacité du glucose à générer un processus de glycation des protéines estsupérieure à celle du fructose

Il n’existe qu’un nombre restreint de produits de glycation avancée

HbA1c est une forme glyquée de l’hémoglobine

La formation des produits d’Amadori est irréversible

La résistance à l’insuline est augmentée par l’action des AGEsg p

Les AGEs génèrent directement ou indirectement du stress oxydant