L’hypertension hyperkaliémique familiale (HHF) est une forme mendélienne rare d’hypertension artérielle associée à une hyperkaliémie et une acidose métabolique hyperchlorémique. Ces troubles sont corrigés par les diurétiques thiazidiques, inhibiteurs du cotransporteur Na⁺/Cl^- (Na⁺-Cl⁻ cotransporter, NCC) exprimé dans le tube contourné distal du néphron. Les premières analyses génétiques ont mis en évidence des mutations dans les gènes codant les sérine-thréonine kinases WNK1 et WNK4 (with no (K) lysine) chez une minorité (8,5 %) de patients HHF [1]. De multiples études in vitro et in vivo ont permis de montrer que ces kinases stimulent l’activité du cotransporteur NCC grâce à une cascade de phosphorylations [2] (→).

(→) Voir la Synthèse de C. Rafael et al., m/s n° 3, mars 2016, page 274

En 2012, des nouvelles mutations dans les gènes CUL3 (cullin-3) et KLHL3 (kelch-like family member 3) ont été identifiées chez 47 % des patients [3]. Les protéines CUL3 et KLHL3 font partie d’un complexe ubiquitine-ligase E3 permettant l’ubiquitination de protéines cibles en vue de leur dégradation par le protéasome. WNK1 et WNK4 sont des substrats de ce complexe enzymatique [4] (Figure 1).

Figure 1. Le complexe ubiquitine ligase E3-CUL3/KLHL3 inhibe la voie de signalisation induite par WNK1 et WNK4. Les kinases SPAK (Ste20-related proline alanine-rich kinase) et OSR1 (oxidative stress response 1) sont phosphorylées et activées par les kinases WNK1 et WNK4. Une fois activées, SPAK et OSR1 activent NCC (Na+-Cl− cotransporter) par phosphorylation. Le complexe ubiquitine ligase E3 CUL3/KLHL3 recrute WNK1 et WNK4 pour induire leur dégradation par le protéasome, ce qui entraîne une diminution de leur abondance. La diminution de l’abondance des kinases diminue l’activation de NCC, ce qui limite la réabsorption de NaCl dans le tube contourné distal du néphron (figure adaptée de [7]).

Figure 1. Le complexe ubiquitine ligase E3-CUL3/KLHL3 inhibe la voie de signalisation induite par WNK1 et WNK4. Les kinases SPAK (Ste20-related proline alanine-rich kinase) et OSR1 (oxidative stress response 1) sont phosphorylées et activées par les kinases WNK1 et WNK4. Une fois activées, SPAK et OSR1 activent NCC (Na+-Cl− cotransporter) par phosphorylation. Le complexe ubiquitine ligase E3 CUL3/KLHL3 recrute WNK1 et WNK4 pour induire leur dégradation par le protéasome, ce qui entraîne une diminution de leur abondance. La diminution de l’abondance des kinases diminue l’activation de NCC, ce qui limite la réabsorption de NaCl dans le tube contourné distal du néphron (figure adaptée de [7]).

Les mutations de WNK1 sont de grandes délétions du premier intron du gène. Ces délétions entraînent une augmentation de l’expression de l’isoforme longue de la kinase WNK1 (long WNK1, L-WNK1) dans le tube contourné distal du néphron [5]. Les mutations de WNK4 empêchent, quant à elles, l’interaction entre WNK4 et KLHL3, ce qui entraîne une diminution de l’ubiquitination et de la dégradation de la kinase par le protéasome [4]. Les mutations de KLHL3 ont un effet équivalent car elles empêchent le recrutement des substrats ou la fixation de KLHL3 à CUL3. Dans les deux cas, ces mutations empêchent la dégradation des substrats du complexe KLHL3-CUL3, dont L-WNK1 et WNK4, par le protéasome (Figure 1). Enfin, les mutations de CUL3 sont localisées dans des séquences impliquées dans l’épissage de l’exon 9, et entraînent l’absence de cet exon (par exon skipping) dans le transcrit mature [6]. Toutes les études in vitro ont montré que l’absence du domaine protéique codé par cet exon diminue l’activité du complexe ubiquitine-ligase, bien que les mécanismes ne soient pas encore définis avec précision [7]. Les mutations de CUL3 causent donc également une diminution de l’ubiquitination et de la dégradation de L-WNK1 et WNK4. Par conséquent, toutes les mutations responsables de l’HHF ont un effet commun quel que soit le gène muté : une augmentation de l’abondance des protéines L-WNK1 et/ou WNK4.

Comme nous l’avons mentionné, L-WNK1 et WNK4 font partie d’une cascade de signalisation aboutissant à la phosphorylation et à l’activation du cotransporteur NCC. Les mutations de WNK1, WNK4, KLHL3 et CUL3 entraînent donc toutes une stimulation de l’activité de NCC. Le tableau clinique est d’ailleurs similaire chez tous les patients HHF quelle que soit la mutation dont ils sont porteurs. Toutefois, les patients porteurs de mutations de CUL3 ont une forme plus sévère de la maladie [6]. En effet, 94 % d’entre eux souffrent d’hypertension artérielle avant l’âge de 18 ans, alors que ce taux n’est que de 10 à 17 % chez les autres patients atteints d’HHF. Les valeurs de la kaliémie sont également beaucoup plus élevées chez ces patients (supérieures à 7 mM en moyenne) (Tableau I) [6]. Enfin, la plupart d’entre eux présentent également un défaut de croissance ou de développement, plus rarement rapporté chez les autres patients. Les résultats d’études in vitro et in vivo indiquent que cette sévérité pourrait résulter d’une atteinte de la fonction vasculaire s’ajoutant à la rétention de NaCl causée par l’activation de NCC dans le tube contourné distal du néphron [8,9].

Une première étude, de l’équipe dirigée par Curt Sigmund, a permis de montrer que la protéine RhoA (Ras homolog family member A) est une cible du complexe d’ubiquitination dépendant de CUL3. RhoA est une protéine G monomérique de la famille des protéines Rho, elle-même membre de la super-famille des protéines Ras [12] (→). Lorsque RhoA est stimulée dans les cellules musculaires lisses vasculaires par des agents vasoconstricteurs comme l’angiotensine II, elle active la kinase ROCK (Rho-associated protein kinase), qui inhibe la phosphatase spécifique de la chaîne légère de la myosine (MLCP) et la déphosphorylation de la myosine, ce qui favorise la contraction vasculaire [10]. In vitro, l’inhibition de CUL3 ou la surexpression de la protéine CUL3 Δ403-459, délétée de la séquence codée par l’exon 9, entraîne unse diminution de l’ubiquitination et de la dégradation de RhoA [8,10].

(→) Voir le Repères de H. Barelli et al., m/s n° 4, avril 2020, page 394

CUL3 pourrait donc inhiber le tonus vasculaire en stimulant la dégradation de RhoA dans les cellules musculaires lisses vasculaires. Cette hypothèse a été confirmée in vivo par la même équipe. L’administration d’un inhibiteur des protéines CUL à des souris témoins provoque en effet une vasoconstriction et une hypertension artérielle. De même, les souris surexprimant la protéine CUL3 Δ403-459 spécifiquement dans les cellules musculaires lisses vasculaires ont une hypertension artérielle due à une stimulation de la vasoconstriction et à une inhibition de la vasorelaxation [9].

Ces études ont donc permis de montrer que l’inhibition de CUL3 et la surexpression de CUL3 Δ403-459 entraînent un dysfonctionnement vasculaire suite à la dérégulation de la voie de signalisation RhoA dans les cellules musculaires lisses des artères. Par ailleurs, l’analyse de souris porteuses d’une mutation de Cul3 semblable à celle des patients a confirmé que la délétion de la séquence codée par l’exon 9 dans la protéine CUL3 conduit effectivement à une diminution de la dégradation de WNK4, associée à une stimulation de NCC et à une hypertension artérielle [8]. Cependant, ces deux séries d’étude n’avaient pas permis de déterminer les contributions respectives des atteintes rénale et vasculaire dans la HHF. Afin d’étudier ces contributions, nous avons généré deux modèles de souris : les souris pgk-Cul3Δ9, qui ont une délétion ubiquitaire de l’exon 9 de Cul3, et les souris sm22-Cul3Δ9, porteuses de cette mutation uniquement dans les cellules musculaires lisses vasculaires (Figure 2) [11].

Figure 2. Les souris sm22-Cul3D9 ont une hypertension artérielle moins sévère que les souris pgk-Cul3D9. (A) Des femelles Cul3+/lox, porteuses de sites loxP de part et d’autre de l’exon 9 du gène Cul3, ont été croisées avec des mâles transgéniques pgk-Cre pour générer les animaux pgk-Cul3D9, porteurs de la délétion hétérozygote ubiquitaire de l’exon 9 de Cul3. Les femelles Cul3+/lox ont également été croisées avec des mâles transgéniques sm22-CreTg pour générer les animaux sm22-Cul3D9, porteurs de la délétion hétérozygote de l’exon 9 de Cul3 spécifiquement dans les cellules musculaires lisses vasculaires. (B) Les souris sm22-Cul3D9 ont une hypertension artérielle modérée, tandis que les souris pgk-Cul3D9 ont une hypertension artérielle sévère. La pression artérielle systolique a été mesurée par une méthode non-invasive de sphygmomanométrie (« tail-cuff ») chez les souris pgk-Cul3∆9 (points verts), chez les souris sm22-Cul3D9 (points bleus), et chez des souris témoins (control, ctrl, points noirs). Test statistique : ANOVA à deux facteurs suivi de comparaisons multiples. ** p < 0,0001 (figure adaptée de [11]).

Figure 2. Les souris sm22-Cul3D9 ont une hypertension artérielle moins sévère que les souris pgk-Cul3D9. (A) Des femelles Cul3+/lox, porteuses de sites loxP de part et d’autre de l’exon 9 du gène Cul3, ont été croisées avec des mâles transgéniques pgk-Cre pour générer les animaux pgk-Cul3D9, porteurs de la délétion hétérozygote ubiquitaire de l’exon 9 de Cul3. Les femelles Cul3+/lox ont également été croisées avec des mâles transgéniques sm22-CreTg pour générer les animaux sm22-Cul3D9, porteurs de la délétion hétérozygote de l’exon 9 de Cul3 spécifiquement dans les cellules musculaires lisses vasculaires. (B) Les souris sm22-Cul3D9 ont une hypertension artérielle modérée, tandis que les souris pgk-Cul3D9 ont une hypertension artérielle sévère. La pression artérielle systolique a été mesurée par une méthode non-invasive de sphygmomanométrie (« tail-cuff ») chez les souris pgk-Cul3∆9 (points verts), chez les souris sm22-Cul3D9 (points bleus), et chez des souris témoins (control, ctrl, points noirs). Test statistique : ANOVA à deux facteurs suivi de comparaisons multiples. ** p < 0,0001 (figure adaptée de [11]).

Les souris pgk-Cul3Δ9 présentent tous les phénotypes associés à la HHF, c’est-à-dire une hyperkaliémie, une acidose métabolique hyperchlorémique et une hypertension artérielle sévère, associées à une activation de la voie de signalisation WNK4/NCC. Ces troubles tensionnels et métaboliques sont plus sévères que chez les souris Wnk1^+/FHHt, porteuses d’une mutation intronique de Wnk1 équivalente de celles des patients. Comme chez l’homme, les mutations de Cul3 chez la souris entraînent donc un phénotype plus sévère que les mutations de Wnk1. L’abondance et la phosphorylation de NCC sont en revanche similaires dans les deux groupes de souris mutantes. Ce résultat indique que la sévérité des troubles métaboliques chez les souris pgk-Cul3D9 n’est pas causée par une plus forte activation de NCC. Contrairement aux souris pgk-Cul3Δ9, les souris sm22-Cul3Δ9 ne présentent aucun trouble métabolique, mais ont cependant une hypertension artérielle, bien qu’elle soit moins sévère que chez les souris pgk-Cul3D9 (Figure 2). L’hypertension artérielle des souris sm22-Cul3Δ9 résulte d’un défaut de la vasorelaxation consécutive à une surabondance de RhoA, comme dans le modèle de surexpression de CUL3 ∆403-459 restreinte aux cellules musculaires lisses vasculaires cité précédemment. Notre étude a donc permis de montrer pour la première fois que la sévérité de l’hypertension artérielle associée aux mutations de CUL3 chez les patients atteints d’HHF résulte des dysfonctionnements cumulés du néphron et du tonus vasculaire. Elle n’a cependant pas permis d’expliquer la sévérité des troubles métaboliques chez ces patients. La poursuite d’une recherche physiopathologique dans cette forme génétique de la maladie conduira peut-être à la découverte de nouvelles voies de régulation du transport ionique dans le rein, et plus particulièrement dans le tube contourné distal du néphron.

Les auteures déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.