Le fer est un oligo-élément essentiel aux êtres vivants. En effet, il se complexe à l’oxygène dans l’hémoglobine et la myoglobine, et il sert également de cofacteur à de nombreuses enzymes. A l’inverse, l’excès de fer génère des radicaux libres entrainant des dommages cellulaires. Comme il n’existe pas de moyen d’excréter le fer de l’organisme, son absorption doit être finement régulée. Le fer provient d’une part de l’alimentation où il est absorbé par les entérocytes au niveau du duodénum et d’autre part il provient du recyclage des globules rouges sénescents par les macrophages. Le maintien de l’homéostasie du fer se fait par l’hepcidine. L’hepcidine est une hormone peptidique hépatique qui se lie au seul exportateur de fer connu à ce jour, la ferroportine. Ceci entraine son occlusion ou sa dégradation et donc cela conduit à la rétention de fer à l’intérieur des macrophages et des entérocytes, et donc à une diminution de fer dans le sang. Différents signaux régulent l’expression de l’hepcidine. Le fer, l’inflammation et le stress du réticulum endoplasmique (RE) induisent son expression alors que l’érythropoïèse l’inhibe. La voie de régulation principale de l’hepcidine est la voie de signalisation BMP-SMAD.
L’un des régulateurs majeurs de l’expression de l’hepcidine est la matriptase-2, une protéase à sérine exprimée à la surface des hépatocytes. Son rôle est d’inhiber la voie BMP-SMAD et donc l’expression de l’hepcidine par un mécanisme encore mal connu. La perte de fonction de la matriptase-2 est associée à une pathologie, l’IRIDA (iron refractory iron deficiency anemia) qui est une maladie autosomique récessive rare. Les patients atteints de cette pathologie présentent une anémie et une carence en fer sévères. Les traitements à l’heure actuelle sont contraignant. Au cours de ma thèse, j’ai testé la molécule LJ000328, un dérivé du LDN-193189 qui inhibe ALK3 et ALK2 (les récepteurs BMP de type I majeurs régulant l’expression de l’hepcidine) dans un modèle murin d’IRIDA. Le LJ000328 améliore significativement la carence en fer et l’anémie des souris atteintes d’IRIDA après 8 semaines de traitement montrant un potentiel thérapeutique de cette molécule pour cette pathologie.
De plus, différentes pathologies sont associées aux dérégulations du métabolisme du fer. Parmi ces maladies, nous nous sommes particulièrement intéressés au lien entre le fer et la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD), en déterminant si le fer pouvait être un facteur aggravant de cette pathologie. En effet dans 30% des cas, la NAFLD peut évoluer vers un stade plus sévère, la stéatohépatite non alcoolique (NASH), puis vers la cirrhose et l’hépatocarcinome. Dans ce contexte, j’ai caractérisé la régulation de l’hepcidine en réponse au stress du RE et étudier la régulation de l’hepcidine et de l’homéostasie du fer dans un modèle murin de NASH. L’injection de tunicamycine, qui provoque un stress du RE, aux souris augmente l’expression de l’hepcidine via deux mécanismes complémentaires. Le premier est l’inhibition de la matriptase-2 conduisant à l’induction de la voie Bmp-Smad et le second est la stabilisation de l’ARN messager de l’hepcidine par la protéine stabilisatrice HuR. Dans un modèle murin de NASH dans lequel les souris sont nourries avec un régime déficient en choline et en méthionine, un stress du RE est associé à une inhibition de la matriptase-2, conduisant à l’induction de la voie Bmp-Smad et donc à l’expression de l’hepcidine. Inhiber la voie BMP-SMAD afin de réduire l’expression de l’hepcidine et la rétention de fer à l’intérieur des cellules pourrait être une cible thérapeutique prometteuse afin d’empêcher la transition de la NAFLD vers la NASH.
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Iron is essential for living organisms. Indeed, it binds to oxygen in hemoglobin and myoglobin, and it is also a cofactor for many enzymes. On the other hand, excess iron generates free radicals causing cellular damage. Since there is no way to excrete iron from the body, its absorption must be tightly regulated. Iron is absorbed from food by the enterocytes of the duodenum and secondly it comes from the recycling of senescent red blood cells by macrophages. Iron homeostasis is regulated by hepcidin, a hepatic peptide hormone that binds to the only iron exporter known to date, ferroportin. This leads to its occlusion or to its degradation and therefore to the retention of iron inside the macrophages and enterocytes. Different signals regulate the expression of hepcidin. Iron, inflammation and endoplasmic reticulum stress (ER) induce its expression while erythropoiesis inhibits it. The main regulatory pathway for hepcidin expression is the BMP-SMAD signaling pathway.
One of the major regulators of hepcidin expression is matriptase-2, a serine protease expressed on the surface of hepatocytes. Its role is to inhibit the BMP-SMAD pathway and thus the expression of hepcidin by a mechanism that is still poorly understood. The loss of function of matriptase-2 is associated with a pathology, Iron Deficiency Iron Deficiency Anemia (IRIDA), which is a rare autosomal recessive disorder. Patients with this condition have severe anemia and iron deficiency and currently no effective treatments are avalaible. During my PhD I tested the efficacy of the LJ000328, a derived of LDN193189, which is an inhibitor of the Bmp-Smad pathway by inhibiting ALK3 (the major type I receptor BMP regulating hepcidin expression). The aim of this study was to reduce hepcidin expression and thus to increase iron absorption, in a mouse model of IRIDA. Mice treatment during 8 weeks improves the anemia and the iron deficiency demonstrating that this compound could be a new therapeutic tool to treat IRIDA patients.
In addition, various pathologies are associated with deregulation of iron metabolism. Among these diseases, we were particularly interested in the link between iron and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), by determining whether iron could be an aggravating factor of this disease. In 30% of cases, NAFLD progress to a more severe stage of the disease, non-alcoholic steatohepatitis (NASH), then to cirrhosis and hepatocarcinoma. In this context, I characterized the regulation of hepcidin during ER stress and study the regulation of hepcidin and iron homeostasis in a mouse model of NASH. Tunicamycin injection induces ER stress in mice and increases hepcidin expression by two complementary mechanisms. The first is the inhibition of matriptase-2 leading to the activation of the Bmp-Smad signaling pathway and hepcidin expression. The second mechanism is the stabilization of the hepcidin mRNA (Hamp mRNA) by the RNA binding protein HuR. It is the first demonstration of the implication of HuR in iron metabolism. In mice fed a Methionine and Choline deficient diet (MCD) which is a mouse model of NASH, we also observed an ER stress accompanied by an inhibition of matriptase-2 and an increase of the Bmp-Smad signaling pathway and hepcidin expression. The inhibition of this pathway could be a new promising therapeutic approach in order to decrease hepcidin expression and iron deposition and thus to prevent the transition of NAFLD to NASH.
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