HMG-CoA réductase, le cholestérol et les statines
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1. Présentation générale

2. La HMG-CoA réductase ou HMGCR

3. Régulation de l'HMGCR

4. Le cholestérol et les lipoprotéines

5. Les statines : inhibiteurs de l'HMGCR

6. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Présentation générale

La biosynthèse de l'isopentènyle diphosphate (isopentènyle pyrophosphate), le précurseur des isoprénoïdes chez toutes les formes de vie s'effectue via 2 voies métaboliques : la voie du mévalonate et la voie du glycéraldéhyde 3-phosphate/pyruvate (appelée aussi voie non-mévalonate).

  • beaucoup de bactéries gram- utilisent la voie non-mévalonate.
  • l'homme et beaucoup d'eucaryotes, les archées, certaines bactéries gram+ et Borrelia burgdorferi utilisent la voie du mévalonate.

La HMG-CoA réductase (ou 3-Hydroxy-3-Méthyl-Glutaryl-CoA réductase ou HMGCR) est l'enzyme qui contrôle la voie du mévalonate qui, entre autres devenirs, mène à la biosynthèse du choléstérol et d'autres isoprénoïdes.

CoA : coenzyme A ou CoASH (voir ci-dessous).

L'essentiel du cholestérol dans la circulation n'entre pas directement dans le système sanguin à partir de l'alimentation.

Le cholestérol est surtout synthétisé dans le réticulum endoplasmique par un ensemble de réactions dont l'étape limitante est la réaction catalysée par l'HMGCR.

L'un des modes de bloquage de la biosynthèse du cholestérol est donc l'inhibition de l'HMGCR.

Le métabolisme du cholestérol est également hautement régulé au niveau post- transcriptionnel par plusieurs miRNA.

Voie de biosynthese mevalonate cholesterol isoprenoide

La réaction catalysée par l'HMGCR est : (R)-mévalonate + CoA + 2 NAD(P)+ ==> 3-hydroxy-3-méthyl-glutaryl-CoA + 2 NAD(P)H

Structure du mevalonate et du CoA coenzyme A

Structure du 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA ou HMGCoA

Il existe d'autres processus d'élimination du cholestérol :

  • l'endocytose des récepteurs des vésicules de lipoprotéines LDL par les cellules du foie ou les hépatocytes
  • l'élimination sélective du cholestérol libre situé à l'intérieur des vésicules de lipoprotéines LDL
  • l'efflux du cholestérol de la membrane plasmique vers des vésicules acceptrices, notamment les lipoprotéines HDL

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2. La HMG-CoA réductase ou HMGCR

L'HMGCR est l'enzyme qui contrôle la voie du mévalonate donc la synthèse du cholestérol.

Il existe 2 classes d'HMGCR (PFAM PF00368) :

  • classe I - EC 1.1.1.34 : chez les eucaryotes et la plupart des archébactéries. Elle utilise le NADPH
  • classe II - EC 1.1.1.88 : chez les procaryotes. Elle catalyse la réaction réverse de l'HMGCR de classe I et utilise le NADH

Chez l'homme, l'HMGCR est un tétramère (en fait un dimère de dimère) de 888 acides aminés (97,5 kDa).

C'est une glycoprotéine transmembranaire (réticulum endoplasmique et peroxysome).

Elle contient :

  • 8 hélices transmembranaires en position N-terminale.
  • un domaine catalytique C-terminal qui correspond aux acides aminés 450 à 888. Ce domaine peut-être subdivisé en 3 régions : une région N-terminale, une grande région L qui fixe les substrats et une petite région S (homologie de structure avec la ferrédoxine) qui fixe le NADP. Ces 2 régions sont reliées par une boucle de type "Cis-loop".

Structure des lipoproteines

Source : Jo & DeBose-Boyd (2010)

La structure de l'interface hydrophobe entre les 2 dimères est stabilisée par un pont salin entre Arg641 et Glu782 et des liaisons hydrogène entre les Glu700 des 2 monomères.

L'HMGCR de classe II ne possède pas le domaine N-terminal riche en hélices. Le domaine catalytique est organisé en une grande région L et une petite région S.

Visualisation de la HMG-CoA réductase de Homo sapiens à une résolution de 2,1 Å.

PDB : 1DQ8

Domaine catalytique complexé au coenzyme A et au HMG (3-Hydroxy-3-Méthyl-Glutarate). Seule la chaîne A est représentée.

3 acides aminés impliqués dans la catalyse sont indiqués. His 866 n'apparaît pas.

Pour faire apparaître de multiples fonctions du menu Jmol :

  • clic sur "Jmol" (Mac)
  • clic droit sur "Jmol" (PC)

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3. Régulation de l'HMGCR

L'HMGCR est une enzyme particulièrement régulée :

a. La régulation de la transcription : le gène de l'HMGCR est activé par la "sterol regulatory element binding protein", protéine qui se fixe sur le promoteur du gène de l'HMGCR quand le taux du cholestérol chute.

b. La traduction de l'ARM messager codant l'HMGCR est inhibée par le farnesol, un dérivé de la voie du mévalonate.

c. La dégradation de l'HMGCR : quand le taux des stérols augmente, l'HMGCR est davantage sujette à la dégradation médiée par le réticulum endoplasmique ("ER-associated degradation").

  • les hélices 2 à 6 du domaine transmembranaire de l'HMGCR, appelé domaine sensible aux stérols ("sterol-sensing domain"), joue un rôle dans la détection de l'accroissement du taux de stérols. La dégradation de l'HMGR est initiée quand une protéase à cystéine, fixée à la membrane, hydrolyse des résidus spécifiques du domaine transmembranaire de l'HMGCR.
  • de plus, quand le taux de stérols augmente, les hélices exposent la Lysine 248 qui peut-être ubiquitinylée, dirigeant ainsi l'HMGCR vers la dégradation par le protéasome.

d. Enfin l'activité de l'HMGCR est régulée par phosphorylation de Ser872 par la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK), quand la charge énergétique de la cellule est faible et la concentration en AMP est élevée. Ser872 est située à proximité du groupement phosphate du NADP : sa phosphorylation diminue donc l'affinité pour le NADPH, ce qui diminue la synthèse du mévaldyl-CoA à partir du HMG-CoA (voir la figure de la synthèse du cholestérol en haut de cette page).

CaMKKβ : "calmodulin-dependent protein kinase kinase-β"

PPI-1 : "phosphoprotein phosphatase inhibitor-1"

LKB1 : AMPK kinase ("liver tumor suppressor kinase") phosphoryle la Thr 172

Figure inspirée de "Cholesterol Metabolism" - M. W. King.

Regulation de la HMGCoA reductase

Des hormones comme le glucagon et l'adrénaline (ou épinephrine) inhibe la biosynthèse du cholestérol en activant l'inhibiteur de PPI-1.

Inversement, l'insuline stimule la déphosphorylation et active l'HMGCR.

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4. Le cholestérol et les lipoprotéines

Le cholestérol est transporté dans le plasma essentiellement sous la forme d'esters du cholestérol associés aux lipoprotéines.

Structure du cholesterol

Les lipoprotéines sont des vésicules qui transportent les graisses dans le plasma sanguin.

Elles ont une structure globulaire et sont constituées de :

  • de protéines de nature trés diverses appelées apoliproptéines (en partie en surface)
  • de cholestérol libre (en surface)
  • de phospholipides (en surface)
  • d'esters de cholestérol (au coeur)
  • de triglycérides (au coeur)
  • d'enzymes : "lecithin:cholesterol acyltransferase" - LCAT (EC 2.3.1.43) à la surface des lipoprotéines HDL, phospholipase A2 et paraoxonase

Les apoliproptéines peuvent traverser les lipoprotéines. Certaines ont un rôle structural d'autres sont des régulateurs du métabolisme. Il existe 6 classes d'apoliproptéines (A à E, H), certaines divisées en sous-classes.

Les charges portées par le cholestérol libre et les phospholipides en surface sont orientées vers les molécules d'eau externes : la surface d'une lipoprotéine ressemble donc à la partie extra-cellulaire d'une membrane.

Structure des lipoproteines

Source : "The LaDu Research Lab"

Structure des lipoproteines HDL

Source : "HDL and Nanodiscs"


Composition des principaux complexes liporotéiques

Complexe Source Diamètre (nm) Densité (g/ml) Protéines (%) Apolipoprotéines % TG % PL % CE % CL % AGL
Chylomicron Intestin > 75 < 0,95 1 - 2 acquièrent l'apoE et l'apoC des HDL en leur cédant leur apoA1 / apoB-48 / apoC / apoE 85 - 88 8 3 1 0
VLDL Foie 30 - 70 0,95 à 1,006 7 - 10 apoB-100 / apoC / apoE 50 - 55 18 - 20 12 - 15 8 - 10 1
IDL VLDL 25 - 50 1,006 à 1,019 10 - 12 apoB-100 / apoE 25 - 30 25 - 27 32 - 35 8 - 10 1
LDL VLDL 18 - 25 1,019 à 1,063 20 - 22 apoB-100 / vitamine E et caroténoïdes 10 - 15 20 - 28 37 - 48 8 - 10 1
HDL2 Intestin (entérocytes), foie (chylomicron & VLDL) 6 - 10 1,063 à 1,125 33 - 35 apoA / apoC / apoE 5 - 15 32 - 43 20 - 30 5 - 10 0
HDL3 Intestin (entérocytes), foie (chylomicron & VLDL) 1,125 à 1,21 55 - 57 3 - 13 26 - 46 15 - 30 2 - 6 6
Albumine - AGL Tissus adipeux --- > 1,281 99 ------- 0 0 0 0 100

TG : triacylglycérols - PL : phospholipides - CE : cholesteryl esters - CL : cholestérol libre - AGL : acides gras libres - IDL : "Intermediate Density Lipoprotein".

Sources : "Lipoproteins" - Wikipedia & "Lipoproteins" - M.W. King


Le foie synthétise les lipoprotéines VLDL ("Very Low Density Lipoprotein", lipoprotéine de très basse densité) qui sont converties en LDL ("Low Density Lipoprotein") via la lipoprotéine lipase associée aux cellules endothéliales ("endothelial cell-associated lipoprotein lipase").

Le cholestérol synthétisé par le foie, de même que tout régime riche en cholestérol excèdant les besoins hépatiques, est transporté dans le sérum au sein des vésicules de lipoprotéines LDL.

Les lipoprotéines LDL se fixent sur des récepteurs spécifiques. Puis la vésicule s'invagine en "réceptosomes" dirigés vers les lysosomes avec lesquels ils fusionnent. Les enzymes du lysosome libèrent les acides gras, le cholestérol (incorporé dans le réticulum endoplasmique) et les récepteurs (hydrolysés en acides aminés).

Le cholestérol de la membrane plasmique peut-être extrait par les lipoprotéines HDL et esterifié par LCAT, l'enzyme associée aux lipoprotéines HDL. les lipoprotéines HDL sont prélevés par les hépatocytes et se retrouvent dans les sels biliaires.

Le cholestérol issu des tissus périphériques via les lipoprotéines HDL peut être transferés aux lipoprotéines VLDL et LDL via la protéine de transfert des esters de cholestérol ("cholesteryl ester transfer protein apo-D" - CETP) associée aux lipoprotéines HDL.

Source : "Chylomicron Metabolism"

Synthese des liporoteines HDL VLDL LDL IDL

Le transport réverse du cholestérol permet un retour du cholestérol périphérique vers le via les lipoprotéines LDL.

Finalement, le cholestérol est excrété dans la bile sous forme de cholestérol libre ou de sels biliaires après conversion dans le foie.

Les stérols sont des lipides dérivant du noyau cyclopentanophénanthrénique.

Les différentes types de stérols se distinguent selon le nombre et la position d'insaturation et/ou de chaînes latérales.

vitamine D3 : cholécalciférol

Structure sterol lanosterol testosterone progesterone vitamine D3


Sous-classes des stérols Sous-classes des stéroïdes Sous-classes des secostéroïdes Sous-classes des acides biliaires Sous-classes des stéroïdes conjugués
cholestérol et ses dérivés stéroïdes à 18C : oestrogènes et leurs dérivés

vitamines D2 à D7 et leurs dérivés

(vitamine D2 : ergocalciférol)

acides biliaires de 22 à 29 carbones, alcools et leurs dérivés stéroïdes glucuronidés
cholestéryl esters stéroïdes à 19C : androgènes et leurs dérivés stéroïdes sulfatés
phytostérols et leurs dérivés stéroïdes à 21C : gluco-corticoïdes, minéralo-corticoïdes, progestogines et leurs dérivés stéroïdes conjugués à la glycine
stérols marins et leurs dérivés stéroïdes conjugués à la taurine
stérols fongiques et leurs dérivés
Source : "Classification des lipides" - Wikipédia

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5. Les statines : inhibiteurs de l'HMGCR

Ce sont des agents hypo-lipidèmiques, inhibiteurs de l'HMGCR. Ils ont été découverts par Akira Endo en 1971.

L'inhibition de l'HMGCR dans le foie stimule les récepteurs du LDL, ce qui augmente l'élimination du LDL du système sanguin et une diminution du taux de cholestérol.

Ces drogues incluent : la rosuvastatine (Crestor), la lovastatine (monacoline K - Mevacor), l'atorvastatine (Lipitor), la pravastatine (Pravachol), la fluvastatine (Lescol), la pitavastatine (Livalo), la simvastatine (Zocor), la cerivastatine, la vytorine qui combine la simvastatine et l'ezetimibe.

Ces molécules sont des inhibiteurs compétitifs du HMG-CoA. Il y a une diminution de la synthèse du mévalonate.

Par exemple, le noyau lactone de la simvastatine est hydrolysé et génère l'acide β, δ- dihydroxy, métabolite analogue structural du HMG-CoA.

Figure ci-contre : comparaison des structures du HMG-CoA et de la lovastatine.

Structure de la lovastatine

Les statines et l'HMGCR ont une importance économique considérable dans l'industrie pharmaceutique.

Celà explique les efforts concernant la résolution de structures tridimensionnelles de nombreux complexes entre cette enzyme et ces inhibiteurs : on dénombre une vingtaine de structures de complexes entre l'HMGCR et des statines. Voir le chapitre "Medical Implications for HMGR" ("HMG-CoA Reductase" - Proteopedia).

 

6. Liens Internet et références bibliographiques

"Principes de Biochimie" Horton, Moran, Ochs, Rawn et Scrimgeour (1994) - Ed. DeBoeck Universités - ISBN : 2-8041-1578-X

"HMG-CoA Reductase" - Proteopedia

"Proteopedia : the free, collaborative 3D-encyclopedia of proteins & other molecules"

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Voie des statines (interactive)

Métabolisme des lipoprotéines

Classification des lipides

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Friesen & Rodwell (2004) "The 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme-A (HMG-CoA) reductases" Genome Biology, 5, 248

Jo & DeBose-Boyd (2010) "Control of Cholesterol Synthesis through Regulated ER-Associated Degradation of HMG CoA Reductase" Crit Rev Biochem Mol Biol 45, 185 - 198

Article

Article

"DrugBank"

"MetaCyc Pathway : mévalonate pathway I"

"HDL and Nanodiscs"

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