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Métabolisme du fer, Physiologie et Pathologie

1

2019-2020

FACULTE DE MEDECINE

Biochimie et Biologie MoléculaireDr Katell Peoc’hHôpital Beaujon et Hôpital BichatBiochimieKatell.peoch@aphp.fr

Plan

I. Fonctions du FerII. Stock et besoinsIII. Homéostasie du Fer à l’échelle cellulaire et de l’organismeIV. Exploration du métabolismeV. Carences martialesVI. Surcharges martiales

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Objectifs

• Connaître le métabolisme physiologique du fer• Citer les principaux organes et acteurs de la régulation du fer dans

l’organisme• Citer les principales pathologies du métabolisme du Fer • Citer les techniques d’exploration du métabolisme du Fer

3

Quizz

• Le Fer, qu’est ce c’est?• Quelle importance en physiologie humaine?

4

5

I. Fonctions du Fer

Indispensable à toute forme de vie…Hèmoprotéines et protéines à centre Fe-S

•Transport d’oxygène •Réactions de transfert d’électrons

•Synthèse ADN, ARN, protéines

…Éventuellement Nocif

Catalyse la production de formes radicalaires de l’oxygène FRO

H2O2+ Fe2+à OH- + OH• + Fe3+

O2 + Fe3+ à + Fe2+ . - O 2

6

2 + 2 H+ à O2 + H2O2 - . O 2

•Cassures de l’ADN •Inactivation des enzymes

•Peroxydation lipidique

Fe3+Fe2+- e-

+ e-

•Respiration cellulaire

Cofacteur des nombreuses enzymes:•Oxydases, Catalases•Péroxydases, Cytochromes•Ribonucléotide réductases•Aconitases, NO synthéthases

- Réactions métaboliques oxydatives:

Centres fer/soufre

[2F:2S]

[3F:4S]

[4F:4S]

Aconitases

Ferredoxines

Hydrogenases

deshydrogenases

Cofacteur

Lipoxygenase

Phosphatase acide

Ribonucléotide réductase

Fonctions

- Hémoprotéines:

Hème

Hémoglobine

Myoglobines

Cytochromes

Enzymes oxydo-réduction

O2e-

7

Structure de l’hème (hémoglobine, myoglobine)

Protoporphyrine IXtétrapyrrolique

FER FERREUX

Histidine proximale

Histidine distale

O2

9

Structure de l’hémoglogine

10

Fe 3+Fe 2+

- Fer ferrique insoluble- Lié à des protéines de transport (Tf) +++

- Fer ferreux soluble et toxique +++- Production RLO via réaction de Fenton

Transport régulé du Fer

Transport non régulé du Fer

Porter, Am J Hematol. 2007;82:1136–39

11

Fer libre

Mort cellule Fibrose

Lésions organites cellulaires TGF-β1

RLO

Peroxydation lipides

LysosomesLibération enzymes

Synthèse collagène

Le Fer, indispensable à la vie et potentiellement toxique

Cohen et Porter. In Disorders of Hemoglobin: Genetics, Pathophysiology, and Clinical Management, Steinberg MH et al. (Eds); 2001:979–1027

12

è Métabolisme finement régulé mettant en œuvre de nombreuses protéines de transport ou stockage

Gozzelino et Arosio, Int J Mol Sci. 2016;17(1).

Fer: indispensable et potentiellement toxique

Excès de Fer = stress oxydant

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II. Stock et besoins

Stocks et besoins en Fer

Stock 4 g (65% fer ferreux et héminique)Durée de vie 10 ansBesoins1 mg/j (Homme)2mg/J (Femme)3 mg/j (1er et 2eme trimestre degrossesse)20-30 mg/j (3eme trimestre)

-75 % du fer utilisés pour la synthèsed’hémoglobine-25% dans les hémoprotéines et lesenzymes non héminiques

14

Apports et Pertes

Apports Pertes

25-30 mg/j (recyclage principalement àpartir de l’hémoglobine dans lesmacrophages)

1 mg/jCutanées et rénales (35%)Digestives (65%)

20 mg/j en cas d’alimentation équilibrée10-20% absorbé (duodénal++ ; jéjunal+)Ferreux>>Ferrique ; animal>> végétal(majoritairement non héminique,inorganique)

15

16

III. Homéostasie du Fer à l’échelle cellulaire et de l’organisme

Triple équilibre

17

Stock total Distribution Forme chimique

Différents types de Fer

• Fer plasmatique: Transferrine• Fer cellulaire • Fonctionnel: principalement lié à l’hème• De transit : pool labile de Fer• De stockage : Ferritine

18

Cycle du fer

19

1

2

Premier site d’utilisation : Moëlle osseuse

Rate

Tf

TfRedistribution Tf

Tf ÉrythrocytesMoelle osseuse

TfR1

Érythropoïèse

Tf

Macrophages

Ft

Hb

Foie

Homéostasie du fer

2500 mgMuscles

Pertes

Stockage Recyclage

Circulation

Plasma : 1 mg/L

Plasma : 20-30 mg/j

1-2 mg/j

Efflux

Fer alimentaire

AbsorptionEnterocytes

20

Fer héminique Fe++, ferreux, réduit10% bol alimentaire 1/3 du fer absorbé car mieux absorbé

Fer non-héminique Fe +++, ferrique, oxydé: 90% apports 2/3 fer absorbé

Apports: 2 mg/j environviandes >> légumes

21

Absorption intestinale: seule entrée du Fer exogène

Facteurs intervenant dans l'absorption intestinale du fer non héminique

● Facteurs inhibants : polyphénols, tanins (thé, etc.), phytates, calcium et fibres alim. ● Facteurs favorisants : vitamine C, consommation associée de viande ou de poisson.

Villosité duodénale

HFE

Fe(II)

Fe(II)

Fe(III)

Dcytb

DMT1Ferroportine

Héphaestine

Fe(II)

Fe(III)

Apo Tf

Fe(III)-Tf

Ferritine

Absorption : duodénum et haut jéjunum

rTf

22

DMT1 divalent metal transporter 1 ou SLC11a2Dcytb duodenal cytochrome B

Entérocyte villositaire

Cellule cryptique

Fer non héminique

Fer héminique

HCP1 (heme carrier protein 1)HFE High Fer

HCP1

Fer et foie : stockage, circulation, régulation

23

1

Fer et macrophages : recyclage

24

5 million GR sénescents /sec

Chaque GR contient 1.2 billion hèmes

Macrophages

>90% du fer de l’organisme recyclé par erythrophagocytose

[5x106]x[1.2x109] hème/sec

GR Senescent

Erythrophagocytose

phagocytic receptors MaturationPhagosomale

FeFe 2+

Fe2+

HMOXFerroportine

FeFerritine

?

ceruleoplasmine

Fe3+

La sénescence des GRs110-120 JOURS

v Antigènes de sénescence

v Oxydation lipides membrannaires

25

Fer et moëlle osseuse : utilisation

26

Macrophage

FPN

Ferritine

Protéines de transport

Principaux acteurs du métabolisme du fer

Fe3+Ft

Fe2+

Fe3+ Fe2+

HEPH

HCP1Hème Hème

HO-1

DCYTBFPN

DMT1 divalent metal transporter 1FPN ferroportine (SLC40A1)Tf transferrineFt ferritine

Tf

Tf

Entérocyte

27

Transferrine (3q21 )

b1Glycoprotéine avec deux sites

de fixation de Fe3+

Transport de fer dans le plasma

Récepteur à la transferrine I (3q29)

Glycoprotéine dimérique transmembranaire

avec 2 sites de fixation de Tf

Majoritairement erythroïdeRécepteur à la transferrine II (7q22)

66% d’homologie

Expression majoritairement hépatique

Transport sérique du fer : le système transferrine /récepteur à la transferrine

28

Transport plasmatique du Fer

• Transferrine usuellement saturée à 30%• Capacité Totale de Fixation du Fer par la transferrine (µmol/L) = 25 X Transferrine

(g/L)• Coefficient de saturation de la transferrine (CS) = (Fer sérique µmol/L /CTF

µmol/L ) x 100 • Capacité latente de fixation (CLF) : nbre de sites libres

• Hémopexine et haptoglobine (Fer heminique)• Fer non lié à la transferrine

29

Récepteur soluble à la transferrine

• Forme tronquée monomérique circulante du récepteur • Reflet du statut martial et de l’érythropoiëse• Augmenté en cas de déficit martial, indépendant du statut inflammatoire

30

Y

Y

Pool de ferlibre

Y

Y Y

Y

YY

Récepteurs à la transferrine

YY

Fe 3+

Apo-IRP [4Fe-4S]-IRP

Hétéropolymères de ferritine

YY

endosome

Apo-Tf

DMT1

H +V-ATPase

3+Fe -Transferrine - 3+Fe

Capture, transport et stockage du fer dans la cellule

Mitochondrie

Endocytose?

FrataxineMitoferrine

Fe 2+

31

Système IRE/IRP ; régulation post-transcriptionelle

Régulateurs intracellulaires

HèmeFe2+

Tf

Tf

TFR1

mitochondries

endosomes FPN

ferritine

FeIIFe3+

Fe2+

DMT1

Fe3+

mitoferrine

IRP1/2

ATPase H+H+

Fe 2+

Fe2+

FPN

T : transferrine; FPN : ferroportine (SLC40A1)TFR1 : transferrin receptor 1; DMT1 divalent metal transporter 1 32

33

La protéine cytosolique IRP (ironregulatory protein) se lie ou non à

une séquence tige-boucle d’un ARNm = IRE (iron responsive

element)

La régulation par le couple IRP-IRE dépend directement

du pool labile en Fer

Système IRE/IRP

Apo-IRP

[4Fe-4S]-IRP1

Pool de ferlibre (Fe2+)

Répression de la traduction des ARNm ferritine

X

Traduction des ARNm ferritine

Dégradation des ARNm du récepteur transferrine

par endonucléasesStabilisation des ARNm du récepteur transferrrine

Interaction IRE/IRP et conséquences fonctionnelles

34

IRE en 5’

IRE en 3’IRE en 3’

IRE en 5’

35Loréal et al., Revue Francophone des Laboratoires, 2012, 442 : 31-7

Régulation post-transcriptionnelle IRE/IRP

é Fer intra cellulaire

é Ferritine

ê RTf

ê Fer intra cellulaire

ê Ferritine

é RTf

35

ARNm Position d’IRE

H ferritine 5’

L ferritine 5’

Ferroportine 5’

Phosphatase acide 5’

eALA-S 5’

Aconitase 5’

Hexokinase III 5’

MRP 5’

Uracile ADN phosphotase 5’

r-Tf 3’

DMT1 3’

Aminopeptidase A 3’

K-Cl co-transporteur 3’

GA

U

NC

C

G

N-NN-NN-NN-NN-N

N-NN-NN-NN-NN-N

H ferritine

eALA-S

r-Tf

DMT1

Iron responsive element (IRE) Régulation post-transcriptionnelle

par le fer

36

M V

O NH

M P P M M V

CH

NH

CH2

NH

CH

NH

O

NADPH + H+

NADP+

Biliverdine réductase A (BVRA)

Bilirubine

M V

O NH

M P P M M V

CH

N CH

NH

CH

NH

O+ CO

HèmeNADPH + H+

H2O + NADP

Fe2+

Hème Oxygénase(HO)

Biliverdine

O2 Cytochrome P450 réductase

37

Dégradation de l’Hème

• Coquille protéique creuse: hétéropolymère de 24 su (H et L, 50% homologie)

• Noyau ferrique : jusqu’à 4500 atomes de fer par molécule• Hépatocytes : stockage fer absorbé au niveau duodénal• Macrophages de la rate, du foie, de la moelle osseuse : fer

recyclé héminique

• Régulation post transcriptionelle via le système IRE et au niveau transcriptionel via un élément de réponse antioxydant (ARE)

Stockage du fer : ferritine

38

Activité ferroxydase - Catalyse Fe2+ Fe3+

Contrôle le pool de fer libre et joue un rôle dans ladéfense contre le stress oxydatif

--

La sous-unité H ferritine :

La sous-unité L ferritine facilite la formation du noyauferrique à l’intérieur de la molécule de ferritine

Pas de redondance fonctionnelle entre les deux sous-unités

L’inactivation des deux allèles H ferritine chez la souris(HFt -/-) est léthale entre 3,5 et 9,5 jours de développementembryonnaire

Structure et fonction de la ferritine

39

Structure des isoferritines

sous-unité Lsous-unité H

Distribution tissu-spécifique

FoieRate

CoeurErythroblastes

Cellules cancéreuses40

Ferritine sérique

• Valeurs normales: 20 à 300 µg/L environ

• Propriétés: Contient peu de ferPartiellement glycosyléeComposée principalement de sous-unité L

•Causes d’élévation – Surcharge en fer génétique ou secondaire

– Etats inflammatoires et infectieux– Syndrome cataracte-hyperferritinémie– Autres: cancer…

41

Hémosidérine

• Forme de stockage du fer• Grande analogie de structure avec la ferritine• Système reticulo histiocytaire et macrophages hépatiques• 35-40% de Fer • Forme à libération très lente

42

Coloration de Perls sur une biopsie hépatique d’un patient atteint d’hémochromatose

Rate

Tf

TfRedistribution Tf

Tf Érythrocytes

TfR1

Érythropoïèse

Tf

Macrophages

Ft

Hb

Foie

2500 mgMuscles

Pertes

Recyclage

Circulation

Plasma : 1 mg/L

Plasma : 20-30 mg/j

Absorption1-2 mg/j

Hepcidine

Hepcidine

Stockage

Efflux

Fer alimentaire

Enterocytes

Hepcidine: hormone hyposidérémiante systémique

FPN

43

44

L’hepcidine est au métabolisme du fer ce que l’insuline est au métabolisme du glucose.

L’erythroferrone serait le glucagon.

Take home message

Jordan et al., J Biol Chem 2009

Hepcidine, régulateur central de l’homéostasie du fer

Découverte en 2001 hepatic bactericidal proteinSynthétisée par le foiePré-pro-forme de 85 AAPeptide mature de 25 AA sécrété dans le plasma et rapidement éliminé dans les urinesPeptide bactériostatique

WT

Viatte et al., Blood 2005

Hepcidine-/-45

46

TfHfe

BMP6Hjv

P-SMAD 1,5,8

HAMP1

MT2

TfR2

IL6JA

K/STAT3

Inflammation

Carence en fer

Surcharge en fer

Anémie, Hypoxie

ErythropoïèseEPO

SMAD 4

TfR1

Tf

BMP6

?

BMPR

ActivineB

HEPCIDINE surexprimée

HEPCIDINE réprimée

Régulation de la synthèse de l’hepcidinehépatique

BMPR

MT2: matriptase 2Hjv: hémojuvélineHFE: « High Fe » proteinBMP: bone morphogenetic protein

HAMP1 : gène Hepcidine

Régulation de l’hepcidine

47

Lefebvre et al, 2017

Mode d’ac)on de l’hepcidine au niveau macrophagique

1- Inhibition du recyclage du fer héminique par les macrophagesInternalisation de la ferroportine (FPN)

Sénescencedes GRs

HèmeHO1

FTFPN

hepcidine

-

48

Internalisation de la ferroportinesous l’action de l’hepcidine

FPN

Mode d’action de l’hepcidine au niveau intestinal

2- Inhibition de l’absorption intestinale par interaction avec la ferroportine (FPN) etinternalisation du cotransporteur DMT1 (divalent metal transporter1, Nramp2)

hepcidine

-

Absorption

Enterocytes

FPN

?

FT

Cellues CACO2 transfectées par DMT1 ou FPN

49

Erythoferrone

50

Kautz, 2014

51

IV- Exploration du métabolisme

Exploration du métabolisme du fer

FerritineTransferrineFerCTFrsTFHepcidine?

IRMHistologie : coloration de Perls, sidéroblastes, ME

Vérifier le statut inflammatoire

52

Biologique Imagerie ou Histologie

53

Foie Normal (Signa 1,5T)

IRM et surcharge en Fer

Faible surcharge (chf=50µmol/g, Signa 1,5T)

Copyright - Yves Gandon - Imagerie Médicale -Rennes

Valeurs usuelles

Examen Valeurs usuelles

Fer Homme 10 - 30 µmol/LFemme 9 - 29 µmol/L

NNé 10-36 µmol/L2 mois-15 ans 11-24 µmol/L

Transferrine Adulte 2 - 4 g/LNNé 1,6-1,8 g/L

Ferritine Homme 20 - 300 µg/LFemme 15 - 150 µg/L

Nouveau-Né 50-400 µg/L6 mois -15 ans 15-80 µg/L

Hepcidine 1-20 ng/mL (LC-MS-MS)

54

55Beaumont et Delaby, Semin Hematol. 2009; 46(4):328-38

ê Ferê Synthèse Hb

Anémie microcytairehypochrome

ê Transport de l’O2

ê Ferê Capacité oxydative

tissulaire

+

= ê capacité de travail (efficience E, endurance...)

=

Utilisation du fer par les cellules et impact des carences

Pathologies du métabolisme du Fer

• Associées à une dérégulation de l’hepcidine• Diminution

• Innées• Acquises

• Augmentation• Innées• Acquises

• Autres

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Anémie microcytaire Carence en fer

Iron Refractory Anemia IRIDA

Fe

HémochromatoseAnomalie qualitative ou

quantitative

Anémie inflammatoireAugmentation de l’hepcidine

Pathologie de la régulation de l’Hepcidine

Hepcidine

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Insuffisance hépatiqueHépatite C

Alcool

Anémie microcytaire hypochrome

Dosage de ferritine sériqueCRP

Ferritine sérique abaisséeTransferrine augmentée

CTFT augmentéeCST diminué (<15%)

Diminution du Fer sérique

Carence martiale

Anémie normocytaire hypochrome

Ferritine sérique normale ou augmentéeCRP augmentée

Transferrine augmentéeCTFT abaissée

CST normalDiminution du Fer sérique

Anémie inflammatoire

Dosage Hepcidine, RsTF

Ferritine sérique normale ou augmentéeCRP normale

Thalassémie, anémie rares, anomalies fonctionnelles

58

Anémie hypochrome

Principales étiologies des carences martiales

Hémorragie chronique

• Pertes gynécologiques

• Pertes digestives (dont gastrites médicamenteuses)

• Dons de sang répétés

59

Insuffisance d'apport

• Grossesses rapprochées / Allaitement• Alimentation pauvre en fer• Anorexie mentale• Malabsorption• Consommation excessive de thé• Prise fréquente de protecteurs gastriques• Maladie cœliaque / MICI/ Gastrites• Gastrectomie, Résection de grêle

Diagnostic de carence martiale

60

Mais le coefficient de saturation de la transferrine est plus informatif en casd’inflammation (CRP)

Signes biologiques de l’évolution de la carence martiale

Fer Transferrine Ferritine

Anémie Latente N N 15 - 25 µg/L

Anémie Débutante diminué + augmentée + 5 - 10 µg/L

Anémie Clinique diminué ++ augmentée ++ < 5 µg/L

61

Anémie inflammatoire

• Carence relative et non absolue en Fer liée à une rétention dans le système macrophagique et à une diminution de l’absorbtion en fer.• Liée à une augmentation de la secrétion d’hepcidine• Le traitement par Fer est inutile tant que l’inflammation n’est pas

maitrisée

62

NON SIDEROBLASTIQUESIDEROBLASTIQUE

Non syndromique DMT1

Diagnostic différentiel : thalassémie, maladie coeliaque

Anémie microcytaired’origine génétique

Syndromique IRIDA ouTMPRSS6

STEAP3

Elevation de la ferritinémie sériqueModérée (500-1000µg/L) ou forte (>1000µg/L)

CFT et Transferrine normales ou diminuéesCS augmenté voire très augmenté (>80%)

Augmentation du Fer sérique

Hémochromatose Type 1

Mutation d’HFEp.C282Y Homozygote

Surcharge acquise

Hépatosidérose dysmétabolique

Acéruloplasminémie

Transfusions massives, ect

Etude génétiqueRecherche des mutations du gène HFE

Autres

Hémochromatoses

CFT normaleCRP Normale

IRM hépatiqueRecherche d’une surcharge en Fer

Maladie de

Gaucher

64

Elévation de la ferritinémie

65

Hémochromatoses Héréditaires

Autosomale récessive

Autosomal dominant Ø Type 4 a, b: Mutations Ferroportine

Ø Type 1: Mutations HFE (p.C282Y)

Ø Type 3: Mutations TfR2

Ø Type 2: Hémochromatoses Juveniles 2a: Chr1q24

2b: Chr19q13.12HémojuvélineHepcidine

Conséquence d’un défaut de production d’Hepcidine

Conséquence d’un défaut des effecteurs

Autosomal récessif ØMutations Céruleoplasmine

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Hémochromatoses Héréditaires

Type Anomalie génétiqueMutation gène codant pour

Transmission Clinique

I

HFE– C282Y/C282Y (90 à 92 %)– H63D/H63D (1 à 2 %) – C282Y/H63D

(5 %) – autres mutations de HFE

RécessiveHémochromatose héréditaire classique (> 95 % des cas)Faible pénétranceExpression inconstante et tardive

II Hémojuvéline Récessive

Hémochromatose juvénile de type IIASujet jeune < 30 ansPénétrance ++Atteinte cardiaque et hypogonadisme

HepcidineHémochromatose juvénile de type IIBPénétrance ++Phénotype très sévère

IIIRécepteur de la transferrinede type 2 (TFR2)

RécessiveExceptionnelleManifestations identiques à cellesde l’hémochromatose classique

IV Ferroportine 1 DominanteFerritine élevée contrastant avec la normalité du CS-Tf Dominante macrophagique de la sidéroseTolérance médiocre des saignées

V H-Ferritine Dominante 1 famille japonaise

VI L-Ferritine DominanteFerritine élevée« Syndrome hyperferritinémie-cataracte héréditaire »

Hémochromatose Type 1 liée à HFE

Ø Surcharge en fer progressive

Ø Défaut de régulation de l’absorption intestinale du fer

Ø Complications de la surcharge en fer: multiorgane

Fibrose cirrhose cancer du foie

Diabète

Insuffisance cardiaque

Arthropathies, mélanodermie…

Traitement: saignées / chélateurs oraux

69

Le déficit en fer cellulaire entraine une hypofixa5on de l’IRE sur l’IRP conduisant, d’une part, à la diminu5on de la ferri5ne (protéine de stockage) et, d’autre part, à une augmenta5on du TFR1 (protéine d’import cellulaire du fer). L’augmenta5on de la charge cellulaire en fer produit les effets inverses.

Take home message

70

Le foie est un organe majeur du métabolisme du fer : il pro-duit protéines de circula8on (transferrine), de régula8on(hepcidine) et de stockage (ferri8ne).

Take home message

71

Le déficit en fer circulant diminue la produc3on d’hepcidine, laquelle accroît l’absorp3on diges3ve du fer et la libéra3on du fer splénique provenant de l’érythrophagocytose. L’augmenta3on du fer circulant produit les effets inverses.

Take home message

Pour conclure

• Le fer plasma+que sert avant tout à la synthèse de l’hémoglobine des globules rouges.

• La transferrine permet au fer de circuler dans le plasma sans être toxique.

• La ferri+ne permet au fer d’être stocké dans la cellule sans être toxique.

• L’hepcidine, produite par le foie, est l’hormone de régula+on de la biodisponibilité́ du fer dans le plasma.

• La ferropor+ne est le seul exporteur iden+fié du fer cellulaire non héminique, et la cible de l’hepcidine qui contrôle son ac+vité.

• L’érythroferrone, produite par les érythroblastes, est une hormone qui diminue l’hepcidine.

• Les désordres du métabolisme du fer conduisent à des pathologies de surcharge ou de déficienceen fer, géné+ques ou acquises

72

Pour aller plus loin

• Brissot et al. Métabolisme du Fer. 2015. EMC Endocrinologie Nutrition• Daher et al. Iron metabolism and the role of the iron-regulating

hormone hepcidin in health and disease. Presse Med. 2017.•

73

hFp://www.lactualitechimique.org/Ressources/AC-Decouverte/Les-chelateurs-du-fer-pour-le-traitement-du-cancer-ou-en-sommes-nous

https://www.youtube.com/watch?v=-WdpON57xF0

hFps://www.youtube.com/watch?v=fGJ9-bqxHJg