La triglycéride lipase hépatique : structure, régulation, rôles métaboliques et implications physiopathologiques

ARTICLE

La triglycéride lipase hépatique (TGL-H) est une enzyme lipolytique, principalement synthétisée par les hépatocytes et exprimée à la surface des capillaires sinusoïdes du foie. Elle peut donc être considérée comme une lipase du compartiment vasculaire, au même titre que la lipoprotéine lipase, avec laquelle elle partage un certain nombre d'analogies structurales et fonctionnelles. Cependant son rôle métabolique est moins clairement établi et ses points d'impact sur le métabolisme des lipoprotéines paraissent multiples. Au cours de ces dernières années, les études de biologie cellulaire et moléculaire ont permis des progrès déterminants concernant la structure de l'enzyme et la définition de domaines fonctionnels, ainsi que l'acquisition d'outils moléculaires pour aborder l'étude des mécanismes de régulation.

Structure moléculaire de la triglycéride lipase hépatique : du gène à la protéine

Le gène de triglycéride lipase hépatique humaine a été localisé sur le chromosome 15, région q15-q22. Il comporte environ 60 kbases, 8 introns et 9 exons, la somme
de ces derniers équivalant à 1,6 kbase (figure 1A). L'organisation des exons et introns est assez proche de celle du gène de la lipoprotéine lipase (LPL) [1]. La transcription du gène débute 43 nucléotides en amont du site d'initiation de la traduction. La région 5' flanquante du gène de la triglycéride lipase humaine s'étendrait entre les nucléotides ­ 1 550 et + 129, et plus de la moitié en a été séquencée [2]. Les techniques d'empreinte à la DNAse en présence d'extraits nucléiques hépatiques ont mis en évidence huit zones d'interaction dans le promoteur proche (Nt ­ 281 à Nt + 129) (figure 1B). Par exemple, une de ces zones (A : Nt ­ 28 à Nt ­ 75) renferme un motif fréquemment retrouvé dans les gènes d'expression hépatique (AGGTTAATTATTAAT), et, d'ailleurs, elle peut lier le facteur transcriptionnel HNF1 [3]. À l'opposé, les zones E2, E3 et E4, au sein du premier exon, comportent un élément de régulation négative, dont la liaison avec un facteur non encore identifié réprime la transcription [3].

La séquence de l'ADN complémentaire a été déterminée de façon concordante par trois équipes [4-6]. Sa longueur totale est de 1 569 pb et elle comporte deux sites de polyadénylation en région 3'. Cependant, un seul messager de 1,7 kbase est détecté dans des cellules hépatiques. La structure déduite de la triglycéride lipase hépatique comprend 499 acides aminés, dont les 22 premiers correspondent à un peptide « signal », caractéristique des protéines sécrétées. La masse moléculaire calculée de la protéine mature est de 53,4 kDa, contre des estimations de 62-69 kDa pour la triglycéride lipase hépatique purifiée à partir du plasma post-héparine. Ces différences s'expliquent par la contribution des oligosaccharides (8 %) à la structure de l'enzyme mature.

La séquence déduite en acides aminés permet d'envisager l'existence de plusieurs domaines fonctionnels. Ainsi, on décrit deux segments hydrophobes de dix acides aminés, domaines probables de liaison aux interfaces lipidiques. Chacun de ces segments renferme une sérine (Ser 146 et Ser 267), et la Ser 146 chez l'humain est au centre d'un motif consensus Gly-X-Ser-X-Gly, retrouvé dans la structure de la lipoprotéine lipase (LPL) de la lipase pancréatique et d'autres estérases [5]. Des expériences de mutagenèse dirigée ont d'ailleurs montré que, chez le rat, la Ser 147 est importante dans l'activité catalytique [7]. Cependant, les localisations respectives des domaines catalytiques et de liaison aux lipides ne sont pas encore établies avec certitude. Au centre de la protéine, on trouve dix cystéines et les distances qui les séparent sont conservées dans les structures de la lipoprotéine lipase et de la lipase pancréatique, suggérant que la formation de ponts disulfures déterminés est importante pour la conformation et l'activité catalytique de ces lipases. La triglycéride lipase hépatique humaine contient quatre sites potentiels de N-glycosylation (Asn-X-Ser/Thr) en position 20, 56, 340 et 375 dont deux (Asn 57 et Asn 376) sont également retrouvés dans la triglycéride lipase hépatique de rat et dans la lipoprotéine lipase. Des expériences de mutagenèse dirigée ont montré que les deux sites de glycosylation de la partie NH₂ terminale sont essentiels dans la sécrétion et l'activité enzymatique [8]. On décrit également, au sein de la triglycéride lipase hépatique humaine, quatre répétitions de motifs consensus riches en résidus basiques, de type BBBXXB ou BBXB, susceptibles de se lier à l'héparine ou aux héparanes-sulfates [5]. De tels consensus ont été retrouvés dans d'autres protéines comme l'apo B100, l'apo E et la lipoprotéine lipase. Le rôle précis ou équivalent de ces différents motifs n'est cependant pas établi avec certitude. Ainsi, l'absence du quatrième motif, le plus proche de l'extrémité C-terminale dans la triglycéride lipase hépatique murine, a été reliée à la faible fixation de l'enzyme aux héparanes-sulfates endothéliaux, puisque la triglycéride lipase hépatique dans cette espèce est essentiellement libre dans la circulation [9]. Par ailleurs, il est possible que des protéines membranaires soient impliquées dans la liaison spécifique à tel ou tel type cellulaire, comme cela a été décrit pour la lipoprotéine lipase [10].

Synthèse et sécrétion de la triglycéride lipase hépatique ; expression tissulaire

La triglycéride lipase hépatique humaine est synthétisée par les hépatocytes, au niveau du réticulum endoplasmique, sous une forme inactive mais déjà glycosylée, riche en résidus mannose. Le peptide signal est clivé lors de la traversée du réticulum. Au cours de son transit dans les différents compartiments de l'appareil de Golgi, l'enzyme subit des modifications de sa composante glucidique, marquées par la perte des résidus mannose et l'acquisition de motifs N-oligosaccharidiques complexes, contenant de l'acide sialique. Les phénomènes de N-glycosylation, et notamment les étapes de dégradation des résidus riches en mannose, paraissent importants dans les processus de maturation et de sécrétion de la protéine enzymatique, plutôt que dans l'acquisition de l'activité catalytique proprement dite [11, 12]. L'enzyme mature est ensuite rapidement sécrétée, et le temps de transit intracellulaire de la triglycéride lipase hépatique néosynthétisée est estimé à 30 minutes (figure 2).

Au niveau du foie, la triglycéride lipase hépatique est retrouvée essentiellement à la surface des capillaires sinusoïdes, d'où elle peut être déplacée par une injection d'héparine, mais elle peut se fixer également à la surface des hépatocytes [13]. Avec des méthodes de dosages sensibles, on a reconnu anciennement, dans l'ovaire et le cortex surrénal, une activité lipase de mêmes propriétés que la triglycéride lipase hépatique en termes d'immuno-inhibition et de résistance aux sels [14, 15]. Dans l'ovaire de rat, cette activité triglycéride lipase hépatique est en majorité localisée dans les corps jaunes et très peu détectée dans les follicules [16]. Les niveaux d'activité enzymatique sont en corrélation avec les concentrations de progestérone plasmatique. Dans le cortex surrénal, l'activité triglycéride lipase hépatique est de localisation vasculaire et son expression est inductible par l'ACTH (hormone corticotrope hypophysaire) [17]. Ces données fournissent des arguments en faveur d'un rôle de l'enzyme dans la fourniture de cholestérol pour la stéroïdogenèse à partir des lipoprotéines plasmatiques. Toutefois, aucune synthèse de novo de la protéine enzymatique n'a pu être mise en évidence dans ces tissus, pas plus que la présence d'ARNm spécifiques par les techniques classiques d'hybridation sur empreinte [15, 18]. Ces données sont en faveur d'une synthèse exclusivement hépatique de la triglycéride lipase hépatique, qui serait secondairement transportée vers les glandes stéroïdoformatrices. Les développements récents des méthodes de quantification par PCR (réaction de polymérisation en chaîne) éclairent d'un jour nouveau cette problématique, mettant en évidence la présence de transcrits dans le cortex surrénal et dans des lignées ovariennes ([19] et A. Ragab, communication personnelle). Cependant, l'expression relative de ces transcrits est quarante fois plus faible dans la surrénale que dans le foie et correspondrait à une forme tronquée de la triglycéride lipase hépatique, dont la signification physiologique n'est pas établie.

Régulation de l'expression de la lipase hépatique

In vivo, les niveaux d'activité triglycéride lipase hépatique, tels qu'ils sont mesurés dans le plasma post-héparine, paraissent très dépendants du statut hormonal. Les effets des stéroïdes sexuels ont été particulièrement étudiés, dans diverses circonstances physiologiques ou lors de traitements substitutifs. Schématiquement, on dira que les œstrogènes natifs ou alkylés (éthinyl-œstradiol) dépriment l'activité triglycéride lipase hépatique alors que les progestatifs à visée androgénique (norgestrel) ou encore les anabolisants de synthèse (stanozolol, oxandrolone...) ont un effet stimulant [20, 21]. Physiologiquement, la triglycéride lipase hépa- tique est beaucoup plus basse chez la femme en période d'activité génitale que chez l'homme, pour augmenter ensuite après la ménopause. Dans toutes ces situations, on trouve une relation inverse entre les variations d'activité triglycéride lipase hépatique et celles affectant les taux de HDL-cholestérol, et plus particulièrement les HDL de grande taille (HDL_2b), argument en faveur d'un rôle de l'enzyme dans le catabolisme des HDL riches en lipides [22]. De la même façon, l'activité triglycéride lipase hépatique varie de façon parallèle aux concentrations des hormones thyroïdiennes, lors d'explorations conduites chez des sujets hypo- ou hyperthyroïdiens, avant et après traitement [23].

Si ces modulations sont depuis longtemps reconnues, leurs mécanismes d'action restent encore peu élucidés. Ainsi, chez l'animal, des administrations massives d'éthinyl-œstradiol [24] ou de triodothyronine (L-T3) [25] semblent avoir peu d'effets sur l'expression des ARNm de la triglycéride lipase hépatique. En culture de cellules, l'activité triglycéride lipase hépatique sécrétée augmente modérément en réponse à des concentrations physiologiques de T3, sans que l'on observe une stimulation de la transcription ou de la synthèse de la protéine enzymatique [26]. Ces discordances entre les observations in vivo et les modèles expérimentaux suggèrent que les effets de ces hormones pourraient être indirects et impliquer des médiateurs intermédiaires.

De façon moins spectaculaire, l'administration de glucocorticoïdes déprime l'activité triglycéride lipase hépatique, de même que les catécholamines, adrénaline et noradrénaline [27, 28]. Ces observations anciennes sont peut-être à mettre en relation avec la description d'éléments de reconnaissance des glucocorticoïdes et de l'AMPc, en position ­ 979 et ­ 534 du gène respectivement [1].

Les arguments récents en faveur d'un rôle de la triglycéride lipase hépatique dans la captation du cholestérol-HDL par les hépatocytes laissent supposer une régulation stérol-dépendante de la triglycéride lipase hépatique. Ainsi, l'administration à l'animal d'un régime riche en cholestérol induit une baisse des ARNm spécifiques de la triglycéride lipase hépatique [29]. Les modèles de culture de cellules hépatocytaires viennent étayer cette observation, montrant une relation inverse entre le contenu cellulaire en cholestérol et l'activité triglycéride lipase hépatique sécrétée ou encore les taux d'ARNm correspondants [30]. L'incubation, en présence de mévinoline qui bloque la néosynthèse cellulaire de cholestérol, induit également une forte stimulation des messagers de la triglycéride lipase hépatique [31]. Ainsi, l'expression de la triglycéride lipase hépatique paraît très sensible aux variations du cholestérol cellulaire, comme c'est le cas pour le récepteur des LDL. Dès lors, on peut concevoir que les deux systèmes, qui concourent à l'apport de cholestérol des lipoprotéines aux cellules hépatiques, fassent l'objet de régulations réciproques. C'est le cas pour l'œstradiol qui a des effets opposés sur l'expression de ces deux protéines [24]. Récemment, une étude a comparé l'activité triglycéride lipase hépatique chez des patients atteints d'une hypercholestérolémie familiale (HF) authentifiée, et chez un nombre équivalent de sujets présentant des taux comparables de cholestérol, mais sans HF [32]. Les patients HF, qui ont un déficit en récepteur des LDL, présentent un niveau d'activité triglycéride lipase hépatique sensiblement plus élevé que les sujets non-HF, suggérant un mécanisme d'adaptation pour le maintien de l'homéostasie du cholestérol hépatocytaire. Ces hypothèses sont sans doute à considérer dans la discussion sur le rôle pro- ou antiathérogène de la triglycéride lipase hépatique.

Parmi les molécules d'intérêt pharmacologique utilisées lors des dyslipémies, seuls les fibrates ont montré un effet stimulant de l'activité triglycéride lipase hépatique de sujets normolipémiques [33] et hypertriglycéridémiques [34].

Enfin, les modulations les plus spectaculaires de la triglycéride lipase hépatique ont été observées avec l'héparine, tant in vivo qu'en cultures de cellules, ce qui en fait un outil de choix pour l'étude de la régulation. Ses points d'impact sont multiples. L'héparine déplace la triglycéride lipase hépatique des surfaces cellulaires mais, lors d'incubations longues, elle stimule de cinq à huit fois l'activité triglycéride lipase hépatique totale retrouvée [35]. Elle stabilise l'enzyme et la soustrait aux processus de réendocytose et dégradation secondaire (figure 2). L'héparine stimule la synthèse des ARNm spécifiques et également la sécrétion d'enzyme mature [36].

Déficiences en triglycéride lipase hépatique

La triglycéride lipase hépatique est présente chez la plupart des mammifères, sauf chez le cobaye et la vache. L'étude du profil lipoprotéinique de ces deux espèces permet d'aborder indirectement le rôle physiologique de la triglycéride lipase hépatique. Chez la vache, la majeure partie des lipoprotéines est dans le rang des HDL, et tout particulièrement des HDL₂. Tandis que, chez le cobaye, on constate un catabolisme perturbé des chylomicrons lors d'un repas riche en graisses. Ces premières observations plaident en faveur du rôle de la lipase hépatique dans le catabolisme des chylomicrons et des
HDL₂.

En ce qui concerne les déficiences en triglycéride lipase hépatique, très peu de cas ont été décrits jusqu'à ce jour. Les études de familles canadienne, suédoise et japonaise ont mis en évidence un profil perturbé des lipoprotéines plasmatiques [37-39]. Ces patients présentent des hyperlipidémies mixtes avec accumulation des VLDL de petite taille (b-VLDL) retrouvées dans les hyperlipoprotéinémies de type III, des IDL ainsi que des HDL₂. Le risque athérogène de ces déficiences ne peut absolument pas être défini de manière univoque, puisque les patients canadiens et japonais présentent des symptômes de maladies cardiovasculaires à l'âge de 43, 52 et 72 ans tandis qu'aucun symptôme n'est décelé chez les deux frères suédois âgés de 49 ans. Dans la famille canadienne, une mutation de base (C r T) a été identifiée dans l'exon 8, qui entraîne la substitution d'une thréonine en méthionine en position 383 de la triglycéride lipase hépatique. Deux autres mutations ont été décrites récemment et impliquent, pour l'une, la substitution d'une phénylalanine pour une sérine en position 267 et, pour l'autre, la substitution d'une sérine en asparagine en position 193. Il est à noter que la mutation 193 a été retrouvée dans des études de polymorphisme génétique de la triglycéride lipase hépatique.

Un cas clinique rapporté à propos d'une patiente présentant des auto-anticorps dirigés contre la lipoprotéine lipase et la triglycéride lipase hépatique a permis de mettre en évidence une élévation importante des triglycérides des chylomicrons, ainsi qu'une diminution du cholestérol des deux sous-fractions HDL. Afin d'appréhender le rôle de la triglycéride lipase hépatique dans le métabolisme des lipoprotéines, une approche très judicieuse a été faite par l'équipe de Rao et al. [40] sur des patients déficients en lipoprotéine lipase. L'injection d'héparine chez ces sujets permet alors d'appréhender isolément l'effet de la triglycéride lipase hépatique sur les lipoprotéines plasmatiques. Les résultats montrent, à l'inverse d'un déficit en triglycéride lipase hépatique, une diminution des phospholipides et des protéines dans les HDL₂ avec une augmentation concomitante des phospholipides dans les HDL₃ par rapport aux témoins n'ayant pas subi une injection d'héparine. Toutes ces observations montrent bien le rôle essentiel de la triglycéride lipase hépatique dans l'interconversion des HDL₂ en HDL₃.

Rôle de la triglycéride lipase hépatique dans le métabolisme des lipoprotéines

La triglycéride lipase hépatique exerce une activité phospholipasique (PLA1) sur les phospholipides à la surface des lipoprotéines ainsi qu'une activité triglycéride lipase sur les triglycérides situés dans le noyau-cœur des particules. Les fonctions de la triglycéride lipase hépatique sont bien moins connues que celles de la lipoprotéine lipase et le rôle de la triglycéride lipase hépatique dans le métabolisme des lipoprotéines est encore mal défini. Cependant, l'enzyme peut être active sur toutes les différentes classes de lipoprotéines. Les activités lipolytiques de la triglycéride lipase hépatique sur les constituants des lipoprotéines in vivo restent assez controversées. Une des stratégies employées consiste à inhiber son activité par l'injection d'anticorps spécifiques afin d'observer l'accumulation des particules substrats. La triglycéride lipase hépatique est impliquée dans le catabolisme des remnants de chylomicrons, des VLDL, des IDL et des HDL₂. En effet, ces lipoprotéines s'accumulent dans le plasma après injection d'anticorps anti-triglycéride lipase hépatique chez l'animal [41, 42]. On note surtout une augmentation (x 3) du contenu en triglycérides des VLDL. De plus, l'inhibition immunologique de l'enzyme conduit à une élévation des phospholipides et du cholestérol libre des HDL, particulièrement de la fraction des HDL₂. Par ailleurs, les remnants de chylomicrons s'accumulent après hépatectomie, confirmant ainsi le rôle du foie dans l'élimination de ces composés. Des résultats in vitro et in situ ont montré que la triglycéride lipase hépatique favorisait la captation hépatique de ces lipoprotéines [43]. Cette enzyme serait aussi impliquée dans l'élimination du cholestérol HDL au niveau hépatique. Des travaux récents [44] ont confirmé ce rôle essentiel sur des souris transgéniques, qui surexpriment l'enzyme de façon modulable et réversible, grâce au promoteur inductible de la métallothionine. Chez ces souris transgéniques, l'activité enzymatique relarguée par l'héparine peut être augmentée d'un facteur 7. Dans ces conditions, les HDL sont de plus petite taille (6,5 ­ 7,2 nm) comparées aux HDL des souris non transgéniques (8,5 ­ 9,4). De plus le cholestérol total et le cholestérol HDL se trouvent diminués d'environ 30 % comparés aux animaux-témoins. Ces travaux confirment bien les études cliniques qui avaient montré une relation inverse entre l'activité triglycéride lipase hépatique (après injection d'héparine) et le taux de cholestérol HDL et spécialement dans le taux du cholestérol des HDL₂ [45].

Les HDL constituent une population hétérogène et se répartissent en deux populations majeures : les HDL₂, de grande taille et riches en esters de cholestérol et les HDL₃, de taille réduite. Toutes les données de la littérature soulignent l'importance de la triglycéride lipase hépatique dans l'interconversion des HDL₂ en HDL₃ [46]. Cette transformation nécessite la perte de lipides et d'apolipoprotéines. À côté de ces particules sphériques et de migration alpha en électrophorèse, des travaux récents ont montré l'existence de particules mineures contenant l'apolipoprotéine A-I, et présentant des migrations électrophorétiques en position pré-b. Ces particules auraient un taux de renouvellement extrêmement rapide et joueraient le rôle de premiers accepteurs dans la captation du cholestérol en excès des membranes cellulaires [47]. La triglycéride lipase hépatique participerait à la formation de ces pré-b-HDL [48]. En effet, cette enzyme hydrolyse les triacylglycérols et les phospholipides des HDL₂ et cette lipolyse favorise de préférence la captation du cholestérol des HDL par les cellules hépatiques et les tissus stéroïdoformateurs [49, 50]. Les mécanismes de cette captation restent à ce jour inexpliqués. De par son action phospholipasique sur les HDL, la triglycéride lipase hépatique pourrait alors démasquer certaines régions de l'apo A-I à la surface particulaire [51]. Les HDL lipolysées deviendraient ainsi un candidat privilégié dans l'interaction avec une éventuelle protéine de liaison des HDL.

Dans la circulation, les HDL₂ peuvent échanger des esters de cholestérol contre les triglycérides des lipoprotéines de très basse densité (VLDL) grâce à la protéine de transfert des esters de cholestérol (CETP). Ces HDL₂, devenant ainsi d'excellents substrats vis-à-vis de la triglycéride lipase hépatique, vont se dissocier sous l'action de l'enzyme en « remnants de HDL₂ » rapidement captés par le foie, et en pré-b₁ HDL. Ces pré-b₁ joueront le rôle de premiers accepteurs du cholestérol des membranes cellulaires [47]. Ce cholestérol sera rapidement transféré aux pré-b₂ puis aux pré-b₃ HDL, particules de plus grande taille. Ensuite, le cholestérol est estérifié par la lécithine cholestérol acyltransférase (LCAT) au sein des pré-b₃ HDL, puis transféré aux HDL₃. L'action continue de la LCAT contribue ainsi à la maturation des HDL₃ en HDL₂. La formation des pré-b HDL à partir des HDL₂ sous l'action de la triglycéride lipase hépatique permettrait ainsi de compléter le cycle d'interconversion des HDL (figure 3).

Variations de la triglycéride lipase hépatique en pathologie humaine

Les niveaux d'activité triglycéride lipase hépatique mesurée dans le plasma post-héparine sont abaissés dans l'insuffisance rénale chronique, ainsi que chez les sujets transplantés, soumis, de plus, à un traitement par la ciclosporine et/ou la prednisone [52, 53]. Les derniers travaux rapportent une baisse de 36 % de l'activité triglycéride lipase hépatique associée à une forte augmentation (+ 60 %) du cholestérol dans les HDL₂. Les patients hémodialysés ainsi que ceux soumis à dialyse péritonéale ambulatoire présentent des phénotypes lipoprotéiques de type III et IV (de Frederickson) associés à une chute d'activité triglycéride lipase hépatique. Les niveaux de triglycéride lipase hépatique varient dans les dysthyroïdies avant et au cours du traitement, en relation avec les taux de tri-iodothyronine sérique [23].

Des résultats contradictoires ont été rapportés sur les niveaux de lipase hépatique chez les patients diabétiques [54, 55]. En fait, les données recueillies sont hétérogènes en ce qui concerne le type de diabète, son ancienneté et le suivi du traitement, mais l'activité triglycéride lipase hépatique mesurée paraît très associée aux taux de HDL circulantes. Ainsi, les patients présentant un niveau élevé de HDL ont une activité triglycéride lipase hépatique basse [54]. Dans notre équipe, nous avons identifié un groupe de patients diabétiques présentant des complications vasculaires, dont l'activité triglycéride lipase hépatique est très abaissée, en relation avec une hypertriglycéridémie modérée et un mauvais équilibre glycémique [56].

Les relations entre la triglycéride lipase hépatique et l'athérosclérose ont été encore peu explorées et sont toujours l'objet de controverses. D'une part, la lipase hépatique semble bien intervenir dans le transport retour du cholestérol en favorisant la captation hépatique des HDL. Sous un autre angle, toutes les études cliniques, menées dans des situations très diverses, trouvent une relation inverse entre l'activité triglycéride lipase hépatique et les taux de HDL, réputées protectrices vis-à-vis de l'athérosclérose. En fait, d'autres éléments-clés de l'homéostasie du cholestérol (LDL-récepteur, HMG-CoA réductase) devraient être évalués dans ces situations où la triglycéride lipase hépatique varie [32]. Par ailleurs, les niveaux de triglycéride lipase hépatique sont sans doute très variables en fonction de la triglycéridémie ou de la cholestérolémie. Une seule étude cas-témoins dans la littérature rapporte une réduction de l'activité triglycéride lipase hépatique chez des patients coronariens [56]

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