LLAIL-CLIC1000
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Déficience et excès en Zinc
Chez l’Homme, le taux sanguin de zinc est d’environ 7 mg.L-1 (Cesbron et al., 2013; Nisse et al., 2017). Les carences en zinc touchent près de 20% de la population mondiale dans de nombreuses régions du globe, particulièrement dans des zones où l’alimentation se compose majoritairement de céréales telles que l’Asie du Sud et l’Afrique sub-saharienne (Skalny et al., 2021). En effet, puisque le zinc n’est pas stocké par l’organisme, ce sont les apports journaliers et donc l’alimentation qui comblent les besoins quotidiens. De plus, les besoins peuvent augmenter dans certaines conditions physiologiques telles que la grossesse ou la lactation (Narváez-Caicedo et al., 2018). Si les apports ne sont pas également augmentés durant ces périodes, des déficiences peuvent être observées. Des carences en zinc peuvent causer divers symptômes tels que des défauts du système reproducteur, des troubles émotionnels, des troubles de l’appétit, du goût et de l’odorat, de la photophobie, des troubles du système immunitaire, ainsi qu’une augmentation des lésions cutanées (Maxfield et al., 2021; Prasad, 1995). Des maladies génétiques sont également associées à une déficience sévère en zinc telles que l’acrodermatite entéropathique qui implique une mutation d’un transporteur permettant l’absorption intestinale. Dans ce cas, les symptômes sont similaires aux déficiences acquises mais avec des manifestations cliniques qui se présentent très tôt chez l’enfant.
Les excès en zinc sont assez rares car les effets apparaissent à partir de 100mg et la dose létale est de 27g de zinc (Agency for Toxic Substances and Disease Registry Division of Toxicology and Environmental Medecine). Néanmoins, les intoxications au zinc peuvent causer des symptômes tels que de la nausée, des vomissements, des irritations gastriques pouvant aller jusqu’à des hémorragies mais également des défauts du système immunitaire et de la neurotoxicité (Plum et al., 2010). Un excès en Zinc cause également un déficit d’assimilation du cuivre (Duncan et al., 2015).
Formes actives et fonction
L’ion Zn2+ sous forme libre, bien que très minoritaire, a un rôle de médiateur cellulaire comme le calcium et le monoxyde d’azote (NO) ; et semble aussi protéger de manière directe les lipides des dommages oxydatifs et éviter la formation des radicaux libres (Chvapil, 1973; Frederickson et al., 2007; Lee, 2018; Maret and Krezel, 2007; O’Dell, 2000). Néanmoins, son activité est majoritairement dûe à la liaison de l’ion Zn2+ a des protéines, appelées métalloprotéines via des liaisons non covalentes avec des acides aminés. Les protéines qui lient le zinc sont très abondantes chez les eucaryotes, et sont également présentes chez les bactéries, les archaea et les virus (Andreini et al., 2006; Chasapis, 2018). Chez l’homme, près de 10% des protéines codées par le génome sont liées à au moins 1 atome de zinc (Andreini et al., 2006). De manière générale, les métalloprotéines fixant du zinc ont un rôle dans la division cellulaire (Lin et al., 2017; Lodde et al., 2020), la signalisation cellulaire (Hojyo and Fukada, 2016), la structure des membranes (O’Dell, 2000), la différenciation (Ogawa et al., 2016), la croissance (Liu et al., 2018b), le système endocrinien (Baltaci et al., 2019), le système immunitaire (Wessels et al., 2017), la transcription (Lodde et al., 2020), la réplication de l’ADN (Dreosti, 2001; Wu and Wu, 1987), l’apoptose (Gao et al., 2020) et la modulation du statut redox (Oteiza, 2012). Depuis le début de leur caractérisation, plusieurs revues ont cherché à classer les métalloprotéines selon la fonction du zinc (Andreini et al., 2011; Auld, 2002; King et al., 2016; Maret, 2013). On retrouve différentes classifications de ces protéines mais de manière générale, on distingue les protéines dont le zinc est (i) structural, (ii) catalytique ou (iii) régulateur. Certaines protéines utilisent le zinc pour plusieurs fonctions (zinc catalytique et structural par exemple) (King et al., 2016).
Dans le cas structural (i), le zinc est nécessaire pour que la protéine adopte une conformation particulière (pico/femtomolaire d’affinité). Dans ce cas ce sont majoritairement des cystéines et des histidines qui lient le zinc de manière covalente (Kochańczyk et al., 2015; Sikorska et al., 2012). Par exemple, dans la E3 RING ligase, le zinc sert à transformer un domaine non structuré en un domaine structuré, capable d’interagir avec E2 pour ubiquitiner des protéines (Chasapis et al., 2020).
Dans le cas catalytique (ii), le zinc est nécessaire pour l’activité des protéines. C’est en effet un cofacteur de plus de 200 enzymes telles que des hydrolases, des transférases, des oxydoréductases, des ligases, des lyases et des isomérases. Ce sont majoritairement des histidines, asparagines, glutamine et cystéine qui lient l’atome de zinc via des liaisons non covalentes (Andreini and Bertini, 2012; McCall et al., 2000). Par exemple, la phosphomannose isomérase catalyse l’isomérisation du mannose-6-phosphate en fructose-6-phosphate. Le zinc est ici nécessaire à la liaison de l’enzyme à son substrat (Bangera et al., 2019).
Dans le cas régulateur (iii), l’ion Zn2+ en lui-même contrôle différents processus. C’est le cas des éléments de réponse aux métaux (MRE) qui lient le zinc pour permettre la fixation des facteurs de transcription MRE (MTF) et activer l’expression de certains gènes (Chen et al., 2020, 1999; Giedroc et al., 2001; Wang et al., 2004).
Protéines à doigts de zinc
Les protéines à doigts de zinc composent une des plus grandes familles de protéines avec des rôles diverses. Le zinc y est lié majoritairement par des cystéines et des histidines afin d’assurer la stabilité de la structure du doigts de zinc et plus généralement de la protéine. La taille du motif peut varier de quelques acides aminés à plusieurs dizaines. La structure du doigt de zinc définit la fonction mais de manière générale il permet à une protéine d’avoir des interactions avec une autre biomolécule (ADN, ARN, protéine, lipide). Les protéines qui possèdent des doigts de zinc ont donc des fonctions très variées : liaison à la chromatine, facteur de transcription, liaison à l’ATP, récepteur et sont localisées dans tous les compartiments cellulaires (Cassandri et al., 2017). Il y a pour l’instant une trentaine de type de doigts de zinc selon le « HUGO Gene Nomenclature Commitee » (Tweedie et al., 2020). Voir (Cassandri et al., 2017) pour revue. Je présente ici quelques types de doigts de zinc les plus représentés, (i) C2H2, (ii) RING (Really Interesting New Gene), (iii) PHD (Plant HomeoDomain) et (iv) LIM (Lin-11/Isl-1/Mec-3) (Figure 3).
Figure 3 : Représentation des 4 types de motifs à doigt de zinc majoritaires au sein des protéines cellulaires. C représente les cystéines et H les histidines.
Le doigt de zinc de motif C2H2 (i) est aussi dit doigt de zinc « classique » car il représente la majorité des doigts de zinc cellulaires. Sa structure se compose de deux feuillets-β et une hélice-α (ββα). Le zinc est lié par 2 cystéines d’une chaine et 2 histidines d’une autre chaine selon le motif C-x-C-x-H-x-H où x représente un nombre variable d’acides aminés (Figure 3A). Cela permet des interactions de la protéine avec une séquence spécifique d’ADN. En effet, les résidus basiques et hydrophobes de la structure ββα permettent des contacts spécifiques avec 2-4 bases riches en GC de l’hélice d’ADN via des interactions hydrophobes et des liaisons hydrogènes (Choo and Klug, 1997; Nunez et al., 2011).
De manière générale, au minimum trois doigts de zinc en tandem sont nécessaires à la protéine pour lier de l’ADN ou de l’ARN de manière spécifique (Wolfe et al., 2000). Les acides aminés entre les doigts de zinc peuvent venir stabiliser la liaison (Padjasek et al., 2020). Certains doigts de zinc en tandem auraient une spécificité pour la reconnaissance de motifs plutôt que de séquences spécifiques (Frietze et al., 2010; Letovsky and Dynan, 1989). En revanche, pour les interactions avec les protéines, un seul doigt de zinc est parfois suffisant (Matthews and Sunde, 2002). On retrouve également une variante avec des doigts de zinc de motif CCHC mais dont la structure est similaire (Liew et al., 2000). Chez l’Homme, cette famille comporte 720 membres dont 372 facteurs de transcription (Cassandri et al., 2017).
Le doigt de zinc de la famille RING (ii) adopte un motif C-x-C-x-C-x-H-xxx-C-x-C-x-C-x-C (Figure 3B). Il a un rôle fréquent dans la multimérisation de complexes protéiques et a donc des fonctions de transduction du signal, régulation de la transcription, réarrangement des gènes des immunoglobulines et de réparation de l’ADN (Saurin et al., 1996). Cette famille comporte 275 membres dont 12 facteurs de transcription (Cassandri et al., 2017).
Le doigt de zinc de la famille PHD (iii) adopte un motif C-x-C-x-C-x-C-xxx-H-x-C-x-C-x-C et est fréquemment associé à des domaines de remodelage de la structure de la chromatine (Borgel et al., 2017) (Figure 3C). Elle comporte 90 membres dont aucun facteur de transcription (Cassandri et al., 2017).
Le doigt de zinc de la famille LIM (iv) est de motif C-x-C-x-H-x-C-x-C-x-C-x-C-x-C (Figure 3D). Il est fréquemment retrouvé dans des protéines importante pour le cytosquelette (Dubrovskyi et al., 2012; Sánchez-García and Rabbitts, 1994; Turner and Miller, 1994). Elle comporte 53 membres dont 1 facteur de transcription (Cassandri et al., 2017).
D’autres doigts de zinc peuvent lier des petites molécules. Par exemple ceux de la protéine PKC lient des esters de phorbol et du diacylglycérol. De plus, de nombreuses protéines contiennent différents motifs à doigts de zinc afin d’exercer les activités (KDMA4, KDMA2, KAT6A, RBCK1, UHRF1, Roquin-1) (Cassandri et al., 2017).
Affinité du Zinc pour les acides aminés
Le zinc se lie à l’azote des histidines, au soufre des cystéines, ainsi qu’à l’oxygène de l’acide aspartique et de l’acide glutamique (Kochańczyk et al., 2015). Selon le concept des acides et des bases fortes et faibles, la liaison du zinc via le soufre et l’azote est plus forte que la liaison via l’azote et l’oxygène (Pearson, 1969). Le groupement thiol de la cystéine a un pKa de 8, alors que celui du groupement imidazole de l’histidine est de 6-6,5 (Figure 4). Généralement, à pH physiologique le groupement imidazole de l’histidine n’est pas protoné alors que celui de la cystéine l’est. La liaison de l’ion Zn2+ au doigt de zinc entraine la perte d’un proton de chaque groupement thiol impliqué dans l’interaction et peut être facilitée par la structure de la protéine (Rich et al., 2012). Cette déprotonation dépendante de l’ion Zn2+ est sensible à l’acidité des cystéines et à leur orientation spatiale ; de plus, les propriétés acide-base des cystéines varient avec le nombre de résidu (Padjasek et al., 2020). En fonction de la structure du doigts de zinc, le Zn2+ peut donc avoir une affinité qui va du submicromolaire au subfemtomolaire et cela laisse penser que selon la biodisponibilité du zinc dans la cellule, l’affinité du Zn2+ pour les doigts de zinc peut réguler la fonction des protéines (Padjasek et al., 2020).
Figure 4 :Équilibre de déprotonation de la cystéine et de l’histidine en fonction du pH.
Exemple du Sélénium
Selon la classification du tableau périodique des éléments, le sélénium fait partie du groupe VI A avec une période de 4 (Figure 1). Il existe plusieurs degrés d’oxydation du sélénium : Se2- , Se0, Se4+, Se6+ (Fordyce, 2013). Le sélénium est chimiquement très proche du soufre avec lequel il partage de nombreuses voies métaboliques.
Apport et stockage
Le sélénium existe sous forme inorganique (sélénite et sélénate) et organique (sélénométhionine et sélénocystéine) (Figure 5) et est majoritairement apporté par notre alimentation (Fordyce, 2013). Les crustacés et les poissons sont des aliments très riches en sélénium (1-5 mg.kg-1) mais on en retrouve également dans les légumes (lentilles, pommes de terre), les céréales et les graines avec des concentrations dépendantes de leur lieu de culture (Fairweather-Tait et al., 2010; Tinggi, 2003). En effet, le sélénium est présent dans le sol à des concentrations pouvant aller en général de 0.1 à 2 mg.kg-1 selon la localisation (Čuvardić, 2003). Dans certaines régions d’Asie il peut néanmoins atteindre une concentration de 12 à 16 mg.kg-1 (Bajaj et al., 2011; Liu et al., 2021). Il est également présent dans la viande, à des concentrations dépendantes de l’alimentation des animaux (Tinggi, 2003).
Figure 5 : Représentations des formes organiques et inorganiques du sélénium.
Il existe toujours de nombreuses incertitudes au sujet du métabolisme du sélénium, contrairement à d’autres éléments mieux caractérisés. L’absorption a lieu majoritairement au niveau du duodénum et du cæcum mais les mécanismes d’absorption et leur efficacité diffèrent selon la forme du sélénium. En effet, le sélénite est absorbé par diffusion simple à travers la paroi intestinale alors que le sélénate aurait plutôt un cotransport avec des ions OH-. Une fois dans les cellules intestinales, le sélénate doit être métabolisé en sélénite puis réduit en sélénide (HSe-) afin d’être utilisé par la cellule. Les formes organiques sont quant à elles assimilées dans le petit intestin via la voie de transport des acides aminés (Thomson and Robinson, 1986; Vendeland et al., 1994). Certains éléments tels que le soufre, le plomb, l’arsenic, le calcium et le fer peuvent bloquer l’assimilation (García-Vaquero et al., 2011; Neathery et al., 1987; Ryssen et al., 1998; Spears and Weiss, 2008). L’apport journalier recommandé est de 55 µg/jour et la limite maximale (LOAEL pour Lowest-Observed-Adverse- Effect-Level) est de 400 µg/jour. Une fois assimilé, le sélénium est transporté par différentes protéines dans la voie sanguine et stocké dans les muscles squelettiques, le foie et les reins sous forme organique afin d’être redistribué en cas d’apports trop faibles. On estime le sélénium total entre 3 et 15 mg chez l’Homme adulte, présents dans de nombreux organes tels que les reins, le foie, la rate, le pancréas, le cœur, le cerveau, les poumons les os et les muscles (Fordyce, 2013; Sonet et al., 2016).
Déficience et excès en sélénium
Chez l’Homme, la moyenne du sélénium est de 100 µg.L-1 de sang (Cesbron et al., 2013; Gudmundsdottir et al., 2012; Levander et al., 1987; Luo et al., 1985; Meltzer et al., 1992; Ravn-Haren et al., 2008; Schellmann et al., 1986). Des études ont montré qu’il existe un optimum de concentration en sélénium aux alentours de 130 µg.L-1 de sang pour lequel la mortalité est moindre. Dès lors que la concentration en sélénium sanguine s’éloigne de cet optimum, on observe une augmentation de la mortalité, toute cause confondue (Akbaraly et al., 2005; Bleys et al., 2008; Clark et al., 1996; Ray et al., 2006).
La toxicité du sélénium à forte dose, aussi appelée sélénose, est attribuée au fait que l’atome de sélénium remplace de manière non spécifique le soufre des groupements thiol des acides aminés (Tarze et al., 2007). Au niveau cellulaire, un excès en sélénium a également pour effet d’augmenter les dommages à l’ADN via des défauts des mécanismes de stress oxydant (Peyroche et al., 2012). Les manifestations cliniques d’une intoxication au sélénium sont multiples : odeur aillée de l’haleine, perte des phanères (cheveux, ongles), diarrhée, douleurs abdominales, l’hypotension, anomalies du rythme cardiaque, hypokaliémie, problèmes respiratoires, œdèmes cérébraux et peuvent conduire à la mort de l’individu (Hadrup and Ravn-Haren, 2020). Les effets indésirables apparaissent environ à 400 µg par jour et l’apport recommandé de 100 µg, la différence est donc assez étroite et les excès fréquents.
Les carences sévères sont également très délétères pour l’organisme comme nous le montrent les maladies de Keshan et Kashin-Beck. La maladie de Keshan est une cardiomyopathie endémique de certaines provinces de Chine qui a frappé de nombreuses personnes en 1935. Des analyses ont associé la pathologie à une faible concentration en sélénium chez les personnes mais également dans les sols de la région de Chine d’où provenait les cas. Une supplémentation en sélénium de la population a permis de diminuer drastiquement le nombre de cas (Loscalzo, 2014). La maladie de Kashin-Beck est une pathologie ostéoarticulaire endémique de plusieurs régions d’Asie qui conduit à des défauts de maturation osseuse irréversibles, particulièrement chez les enfants. Ici aussi, l’introduction systématique d’une supplémentation en sélénium ainsi que l’import de nourriture provenant de régions plus riches en sélénium a permis de limiter très fortement le nombre de cas (Wang et al., 2020). De plus, il existe plusieurs programmes d’étude de fertilisation des sols avec du sélénium pour améliorer l’apport nutritionnel dans des régions où les sols ont de faibles concentrations.
Enfin, des maladies génétiques affectant les protéines de la voie de biosynthèse conduisent également à divers symptômes tels que des douleurs abdominales, des problèmes thyroïdiens, des faiblesses musculaires. Néanmoins les mutations les plus délétères sont létales au stade embryonnaire (Carlson et al., 2009).
Forme active et synthèse des sélénoprotéines
La forme active du sélénium est la sélénocystéine qui rentre dans la composition, chez l’Homme, de 25 protéines nommées sélénoprotéines. Pour cela, la sélénocystéine est incorporée de manière spécifique dans la chaine polypeptidique en cours de traduction grâce à un ARNt dédié, le Sec-ARNt[Ser]Sec spécifique du codon UGA. Selon le code génétique, ce codon, ainsi que les codons UAA et UAG, sont des codons stop qui entrainent un arrêt de la traduction. Dans ce cas, les facteurs de terminaison sont recrutés au niveau du ribosome afin de cliver la chaine polypeptidique et de décrocher les deux sous unités ribosomales. Dans le cas des sélénoprotéines, le Sec-ARNt[Ser]Sec est recruté de manière spécifique lorsque le ribosome lit le codon UGA. Ce recodage spécifique est permis grâce à une structure nommée élément SECIS (selenocysteine insertion sequence) située en 3’ UTR des ARNm des sélénoprotéines. Cet élément, bien que très variable dans sa séquence, possède une structure secondaire fortement conservée en tige-boucle-tige-boucle avec des appariements de base non-Watson-Crick (motif kink-turn) constituant le « SECIS Core » (Grundner-Culemann et al., 1999; Low and Berry, 1996) (Figure 6).
Figure 6 : Structure du SECIS, élément indispensable au recodage du codon UGA en codon sélénocystéine. Le « SECIS Core » est représenté en rouge avec les appariements de base non-Watson-Crick. Des séquences importantes au recodage sont représentées en bleu.
Ce dernier permet la fixation de la protéine SECISBP2 (SECIS binding protein 2) dont la fonction est de recruter à son tour le facteur d’élongation EFSEC (SElenoCysteine specific Elongation Factor) dédié au transport du Sec-ARNt[Ser]Sec correctement chargé (Copeland et al., 2000; Fagegaltier et al., 2000; Tujebajeva et al., 2000). Lors de la lecture du codon UGA par le ribosome, le Sec-ARNt[Ser]Sec qui possède une boucle anticodon complémentaire au codon UGA est positionné sur le site A du ribosome grâce à SECISBP2 et EFSec afin d’ajouter la sélénocystéine à la chaine polypeptidique en cours de synthèse (Figure 7). La traduction se poursuit ensuite jusqu’à un codon stop UAA ou UAG en aval. Certains aspects de ce modèle restent à confirmer, notamment par des données structurales. En effet, la structure 3D précise de certains éléments de ce mécanisme (SECIS, SECISBP2) et de leurs complexes avec le ribosome restent à élucider.
Table des matières
Introduction
I. Les oligo-éléments essentiels
I. A. Généralités
I. B. Exemple du Zinc
I. B. 1. Apport et stockage
I. B. 2. Déficience et excès en Zinc
I. B. 3. Formes actives et fonction
I. B. 4. Protéines à doigts de zinc
I. B. 5. Affinité du Zinc pour les acides aminés
I. C. Exemple du Sélénium
I. C. 1. Apport et stockage
I. C. 2. Déficience et excès en sélénium
I. C. 3. Forme active et synthèse des sélénoprotéines
I. C. 4. Le Sec-ARNt[Ser]Sec, principal régulateur de la synthèse
I. C. 5. Les différentes sélénoprotéines
II. Le Virus de l’immunodéficience humaine et le SIDA
II. A. Généralités sur les virus
II. A. 1. Histoire des virus
II. A. 2. Structures des virus
II. A. 3. Classification des virus
II. A. 4. Le cycle réplicatif des virus
II. B. Le VIH, responsable du SIDA
II. B. 1. Pathogénicité du SIDA
II. B. 2. Génome et protéines
II. B. 3. Cycle de réplication
II. C. NCp7
II. C. 1. Structure de la NC
II. C. 2. Les principales fonctions de NCp7
II. C. 3. Relation structure-fonction
III. Les oligo-éléments en contexte infectieux
III. A. Exemple du Zinc
III. A. 1. Données épidémiologiques
III. A. 2. Rôle antiviral direct
III. A. 3. Rôle via des protéines cellulaires antivirales
III. A. 4. Rôle proviral
III. A. 5. Les métalloprotéines virales
III. B. Exemple du Sélénium
III. B. 1. Données épidémiologiques
III. B. 2. Sélénium, stress oxydant et virulence virale
III. B. 3. Rôle des sélénoprotéines
III. B. 4. Les sélénoprotéines virales
IV. Le fractionnement isotopique
IV. A. Généralités
IV. A. 1. Définition du fractionnement isotopique
IV. A. 2. Les différents types de fractionnements isotopiques
IV. A. 3. Les causes du fractionnement isotopique dépendant de la masse
IV. B. Le fractionnement isotopique en Biologie
IV. B. 1. En contexte physiologique
IV. B. 2. En contexte pathologique
V. Matériel et Méthodes
V. A. Culture des cellules
V. B. Purification et activation des lymphocytes T CD4+ primaires
V. C. Production du virus et titration
V. D. Infection des cellules
V. E. Western blot
V. F. Activité Gpx et Txnrd
V. G. Mesure de l’infectiosité des virus produits
V. H. qPCR
V. I. Cytométrie en flux
VI. Résultats
VI. A. La régulation de l’expression des sélénoprotéines dans différents modèles de lymphocytes T CD4+
VI. B. L’effet du sélénium sur la réplication du VIH-1 dans différents modèles de lymphocytes T CD4+
VI. C. Inhibition de l’expression des sélénoprotéines par CRISPR et effet sur l’infection par le VIH-1
VI. D. Effet de l’infection par le VIH-1 sur l’expression des sélénoprotéines
VII. Discussion
Annexes
Annexe 1
Annexe 2
Bibliographie
