Prévenir les liaisons croisées macromoléculaires et le vieillissement

Traduction française d'un article du Dr Don Kleinsek paru dans le numéro de juin 2002 de Vitamin Research News

C'est souvent juste au moment où des chercheurs pensent qu'une vénérable théorie du vieillissement est morte qu'elle resurgit dans la vie. C'est ce qui s'est produit avec la théorie des liaisons croisées du vieillissement du Dr Johan Bjorksten.

Le Dr Bjorksten a un don pour décrire les fonctionnements moléculaires complexes en utilisant des images aisément compréhensibles.

Une de ses manières favorite de dépeindre la théorie des liaisons croisées était de décrire un bureau ou une usine dans lesquels plusieurs personnes étaient menottées ensemble (Fig. 1). Chaque jour, davantage de gens seraient menottés les uns aux autres et, avec le temps, ces couples seraient menottés à d'autres couples. Finalement, il y a tellement de gens menottés les uns aux autres (liés croisés) dans l'entreprise que tout le travail s'immobilise.

Le Dr Bjorksten utilise cet exemple pour décrire de quelle façon, dans l'organisme, les liaisons croisées endommagent (et rendent inutiles) des macromolécules importantes, des protéines, des lipides et des acides nucléiques.
Les liaisons croisées interviennent d'un grand nombre de manières différentes dans l'organisme : des brins d'ADN peuvent se lier les uns aux autres de façon croisée (liaisons croisées intra-brins) (Fig 2), des protéines peuvent se replier et se lier à elles-mêmes de façon croisée (Fig 3). Avec le temps, ces protéines et ces brins, liés de façon croisée, vont s'attacher à d'autres structures elles-mêmes liées de façon croisée pour former de vastes agrégats reliés par de multiples liaisons croisées.

Le rôle de l'aluminium dans les liaisons croisées est une découverte importante présentée par le Dr Bjorksten dans les années 30. A cette époque, Bjorksten travaillait pour une société qui fabriquait des émulsions pour l'hectographe, un prédécesseur des photocopieuses modernes. L'hectographe utilisait des plaques de gélatine pour fabriquer un master du document original. Cette impression était ensuite utilisée pour faire les copies suivantes. L'aluminium est une substance trivalente, ce qui signifie qu'il forme trois liaisons croisées pour apparaître simultanément dans un polymère. Cela fait de l'aluminium un agent de choix pour former de robustes plaques d'émulsion de gélatine utilisées dans l'hectographe. Bjorksten fit cette découverte quand il nota que les effets des liaisons croisées du polymère dans les émulsions de gélatine lui faisaient penser à de la peau ridée.

Il y a un grand nombre de types de liaisons croisées qui apparaissent au cours du vieillissement. Nous venons juste de faire allusion aux liaisons croisées induits par l'aluminium. Des enzymes peuvent elles aussi induire des liaisons croisées. Les liaisons croisées enzymatiques n'ont généralement pas d'effet nuisible sur la santé. En effet, nous avons besoin de liaisons croisées enzymatiques pour avoir des fonctions biologiques normales. Le meilleur exemple est celui du triple collagène. Les précurseurs de protéines qui fabriquent le collagène (procollagène) doivent être liés de façon croisée pour former la triple hélice qui conserve nos tissus intacts et agit comme une « colle » cellulaire afin de maintenir nos tissus et organes intacts. Sans cela, nos organes s'effondreraient en mares de liquide.

Une autre forme de liaisons croisées, les liaisons croisées non-enzymatiques, est venue sur le devant de la scène au cours de ces deux dernières décennies. Les liaisons croisées non-enzymatiques résultent d'interactions entre sucres et protéines conduisant à la formation de macromolécules. Ces réactions (glycation et glycosylation) se produisent lorsqu'un sucre (fructose, glucose, …) réagit avec un groupe amino primaire sur une molécule protéique. Ces deux molécules forment alors ensemble une base de Schiff. C'est une réaction réversible. Si elle n'est pas inversée dans un temps donné, la base de Schiff peut alors former ce que l'on appelle un produit d'Amadori. A ce stade, c'est légèrement réversible. Cependant, un pourcentage de produits d'Amadori ne s'inversent pas et engagent ensuite un certain nombre de réactions oxydatives et non oxydatives qui forment des macromolécules liées de façon croisée appelées AGEs (Advanced Glycosylation End products ou produits terminaux de glycosylation).

Une fois qu'un produit d'Amadori a évolué pour former un AGE, le processus de liaison croisée devient totalement irréversible. Mais les AGEs ne se contentent pas de cela, ils continuent à générer des radicaux libres et à former davantage de liaisons croisées avec d'autres protéines (Fig 4). Au cours du vieillissement, les AGEs créent également toute une foule de problèmes catalytiques pour la cellule. Les AGEs nouent des macromolécules comme les protéines, les lipides ou de nombreux acides nucléiques. Ils forment des agrégats qui provoquent des problèmes avec la machinerie protéolytique de la cellule. Les lipides qui réagissent avec les AGEs forment des espèces réactives de l'oxygène (ROS).

Les AGEs provoquent une réponse immunologique et c'est la raison pour laquelle le système immunitaire entre lui aussi en jeu. Les produits AGE réagissent avec les lymphocytes qui à leur tour produisent des interférons. Les interférons réagissent avec les macrophages ou directement avec les monocytes. Des cytokines comme les interleukines ou le facteur de nécrose tumorale sont également libérés, provoquant la croissance et la prolifération de cellules anormales.

Les AGEs sont également des agents inflammatoires. Ils forment des agrégats, des tâches de vieillesse et de la lipofuchsine. Mutagéniques, ils contribuent aussi à la carcinogenèse. Nous pensons maintenant qu'ils peuvent être impliqués dans la maladie d'Alzheimer et dans d'autres pathologies, comme la maladie de Parkinson, dans lesquelles des dépôts d'amyloïde et des agrégats de protéines apparaissent.

Certaines protéines sont connues pour interagir avec des AGEs. C'est le cas du plasma, du collagène et du bêta-amyloïde dans les tissus du cerveau. Et il y a, en fait, à la surface des cellules, des récepteurs pour la molécule d'AGEs qui fait entrer en jeu tout un nouveau domaine de problèmes. On a montré que les produits d'AGE interagissent avec les récepteurs d'AGE sur les cellules endothéliales. Cela augmente la perméabilité cellulaire avec pour résultats fuite et coagulation vasculaires ainsi qu'une augmentation de l'incidence des accidents cérébraux. Ce processus augmente également la prolifération des cellules des muscles lisses que l'on soupçonne de stimuler (et de faire partie du mécanisme de) l'athérosclérose. Les fibroblastes ont également des récepteurs qui réagissent avec des facteurs de croissance contribuant à l'accumulation de collagène et d'élastine anormaux.

Il est maintenant reconnu que les AGEs sont impliqués dans la maladie d'Alzheimer pour deux ou trois raisons. D'abord, parce que les plaques séniles et les enchevêtrements neurofibrillaires sont deux caractéristiques pathologiques de la maladie d'Alzheimer. Les AGEs diminuent les signaux cellulaires, influant négativement le transport d'ions, le transport du glucose et les signaux de glutamate. Cela a pour résultats un effet cytotoxique sur les neurones. Une idée plus intéressante est que les AGEs se lient aux RAGEs (récepteurs des AGEs) sur les neurones. Cette liaison des AGEs aux récepteurs enclenche une cascade d'événements nuisibles anormaux. Quand un AGE se lie à un RAGE, il augmente le stress oxydatif de la cellule ainsi que l'attirance liante pour le bêta-amyloïde connu pour être très toxique pour les cellules. Le bêta-amyloïde est l'une des premières protéines découvertes dans la maladie d'Alzheimer. Les AGEs augmentent également la libération de protéases qui commencent à mâcher les neurones eux-mêmes. De plus, nous avons des cytokines pro-inflammatoires comme le NF Kappa bêta qui active une cascade de facteurs de croissance inflammatoires comme le facteur de nécrose tumorale (TNF).

Lorsque des AGEs se lient à des RAGEs, beaucoup de choses réellement angoissantes se produisent. Par exemple, l'expression des gènes est altérée, les facteurs de croissance sont produits en qualités et quantités anormales, les facteurs de transcription sont perturbés et le stress oxydant est augmenté. Je suis certain que, dans les prochaines années, nous allons trouver d'autres choses qui en résultent. Tout aussi angoissant est le fait que, lorsque les RAGEs se forment, ils sont autocatalytiques : Un retour en boucle positif produit davantage de RAGEs et plus de récepteurs pour davantage de produits AGE. A partir du moment où ce processus démarre, il ne s'arrête plus. Il se termine en prolifération de cellules et inflammations anormales qui, finalement, aboutissent à des dysfonctionnements tissulaires et des maladies et il est intimement lié au processus de vieillissement. Les maladies associées au vieillissement attribuées à ce processus complexe incluent les problèmes cardiovasculaires (largement dus à l'athérosclérose) qui ont également pour résultat des modifications de la pression sanguine, des cardiomyopathies, des caillots sanguins, la maladie d'Alzheimer, des accidents cérébraux vasculaires, des neuropathies, des cataractes, des insuffisances rénales, des diabètes et le vieillissement de la peau.

Mais que pouvons-nous faire avec les AGEs ? Un grand nombre de traitements potentiels sont apparus récemment et d'autres ont connu un regain de reconnaissance. (Fig 5). Ils se répartissent en trois catégories :

- les agents diminuant le glucose pour stopper le problème à son commencement en éliminant les sucres.
- Les inhibiteurs de liaisons croisées qui n'inversent les liaisons croisées mais peuvent les empêcher de se produire,
- Les briseurs de liaisons croisées qui, en fait, se débarrassent des AGEs en cassant les liaisons croisées, sujet auquel le Dr Bjorksten a également consacré sa vie.

Un des moyens les plus efficaces de faire baisser le glucose, -un régime auquel pratiquement aucun d'entre nous ne peut adhérer- (mais les singes le peuvent par coercition), est la restriction calorique. Elle peut augmenter la durée de vie d'environ 30%. Elle abaisse les niveaux de glucose de 20 à 30%, divise par trois ceux des triglycérides et restaure la sensibilité à l'insuline. La restriction calorique est ainsi le modèle principal pour les effets bénéfiques des agents sensibilisateurs des récepteurs à insuline/abaisseur de glucose. Des agents disponibles depuis longtemps et ayant des effets modérés sur la sensibilité des récepteurs à insuline incluent le chrome, le sulfate de vanadyl et des adaptogènes comme le ginseng ou le ginseng sibérien (Eleutherococcus sinensis).

Des produits pharmaceutiques comme la phenformine ou la metformine sont parmi les agents sensibilisateurs à l'insuline les plus efficaces. L'ALT-4037 est un composant en développement au laboratoire pharmaceutique Alteon, qui imite les bénéfices de la restriction calorique. D'autres substances qui abaissent l'insuline et le glucose en agissant comme des bloqueurs d'hydrates de carbone incluent le médicament Acarbose et la substance naturelle glucose 2-déoxy.

La classe suivante est celle des inhibiteurs spécifiques des liaisons croisées. Alteon a identifié neuf classes chimiques et plus de 852 composés potentiellement capables d'inhiber des liaisons croisées. Actuellement, les plus efficaces d'entre eux incluent l'ALT-946, la carnosine, l'aminoguanidine, les vitamines B1 et B6 (des rapports indiquent que la vitamine B6, pyridoxal-5-phosphate (P5P), est aussi efficace que l'aminoguanidine), la restriction calorique, les antioxydants, le glutathion, les chélateurs de métaux (incluant l'EDTA et la carnosine) et peut-être l'acide ascorbique et des analgésiques anti-inflammatoires (mais ce sont des inhibiteurs moins puissants).

L'aminoguanidine est un dérivé de la guanidine. Il stoppe les liaisons croisées en
- chassant le glucose par compétition entre les groupes amine de protéines avec le groupe carbonyle du glucose
- ou en se liant et en réagissant avec ces groupes, stoppant le processus de brunissement (réaction de Maillard).

Un des effets les plus significatifs de l'aminoguanidine est sa capacité à prévenir ou à inverser les complications du diabète (Fig 6) comme les néphropathies diabétiques, les rétinopathies et les neuropathies. On a montré que l'aminoguanidine augmente la durée de vie maximale des rongeurs de 20 à 30%. La guanidine est un ingrédient actif du gattilier (Galega officinalis). Le gattilier est, en effet, le prototype végétal des médicaments anti-diabétiques biguanides, la phenformine et la metformine, avec probablement des effets et des bénéfices similaires à ceux de l'aminoguanidine, de la phenformine et de la metformine (Fig 7).

Les groupes cycliques des vitamines B1 et B6 sont engagés en compétition avec les groupes carbonyles des sucres pour prévenir les liaisons croisées et, même, parfois, pour les briser. L'ALT-946 est un autre composé qu'Alteon revendique comme étant même plus puisant que l'aminoguanidine et qui est en attente d'essais cliniques de phase II.

Je pense que l'approche nec plus ultra pour prévenir les effets nuisibles des liaisons croisées est de développer des briseurs de liaisons croisées. Si les liaisons croisées sont véritablement une des causes majeures du vieillissement et si nous pouvons briser ces liaisons croisées alors nous pourrions potentiellement inverser le processus de vieillissement. Alteon a trouvé quatre classes chimiques de briseurs de liaisons croisées. L'ALT-711 est un briseur de liaisons croisées actuellement testé dans des essais cliniques. Les autres briseurs de liaisons croisées incluent la carnosine et, dans une certaine mesure, des chélateurs de métaux comme le DMSA ou l'EDTA.

La carnosine est un di-peptide de l'histidine avec un groupe carbonyle qui intervient probablement dans ses mécanismes d'action.

La carnosine inhibe la carbonylation des protéines, bloquant ainsi le groupe carbonyle et inhibant la glycation et la fructation des protéines. Elle annihile les interactions entre le glucose et le fructose. Elle peut empêcher les AGEs de réagir les uns avec les autres et stopper le processus d'agrégation de l'amyloïde. On a montré, in vitro, que la carnosine brise les liaisons croisées avec l'albumine sérique. C'est également un antioxydant et un chélateur des métallo-protéines et on a montré qu'elle a certains effets, in vitro, sur la désagrégation du bêta-amyloïde. La carnosine est aussi un agent préventif, capable de stopper les effets toxiques du bêta-amyloïde sur les cellules. (Fig 8).

Au cours de la formation des AGEs, les sucres semblent réagir avec les protéines, l'ADN ou les lipides. Les sucres ont un groupe carbonyle très réactif qui réagit avec les groupes amine de ces macromolécules. Il existe plusieurs approches potentielles préventives. Restriction calorique et agents hypoglycémiants d'un côté peuvent abaisser le sucre de telle sorte qu'au départ, il y ait moins de molécules réactives. Deuxièmement, la carnosine, l'ALT-946 ou l'aminoguanidine peuvent empêcher les liaisons croisées de se former.

Les ROS (molécules réactives d'oxygène) et les radicaux libres peuvent réagir avec des molécules et des macromolécules et augmenter les pigments du vieillissement et l'agrégation liée à l'âge des protéines. Tout cela peut être inhibé par la restriction calorique et les antioxydants. Mais, surtout, la science a montré qu'une fois que les agrégats irréversibles d'AGEs sont formés, ils peuvent être inversés par la carnosine et l'ALT-711. Don Kleinsek, PhD est le CEO (Chief Executive Officer) et le directeur scientifique de GeriGene Medical Corporation, à Madison dans le Wisconsin aux Etats-Unis. GeriGene est un des leaders dans le domaine des applications anti-vieillissement de la recherche génétique. Avant son implication dans la recherche génétique, Don Kleinsek a été un des collaborateurs du Dr Johan Bjorksten, un éminent partisan de la théorie des liaisons croisées du vieillissement.