Vignette : cardiomyocyte en culture (Photo © Céline Mias).

Le myocarde se contracte sous l’effet d’oscillations périodiques de la concentration de calcium intracellulaire ([Ca²⁺]_i). Dans les myocytes ventriculaires, ces augmentations transitoires de la [Ca²⁺]_i naissent au niveau de structures spécialisées, les dyades, formées par l’apposition de deux systèmes membranaires : les tubules transverses (tubules T) et le réticulum sarcoplasmique (RS). Lors du potentiel d’action cardiaque, l’ouverture des canaux calciques de type L (LTCC) localisés dans la membrane tubulaire au niveau des dyades génère un influx de Ca²⁺ (le courant calcique de type L ou I_Ca,L). Ce flux provoque l’ouverture des récepteurs de la ryanodine (RyR2) [ 1] localisés dans la membrane du RS. Cela induit une libération massive du Ca²⁺ contenu dans ce compartiment, permettant d’atteindre une [Ca²⁺]_i de l’ordre de la micromolaire nécessaire au développement de la contraction. Lors de la relaxation, la [Ca²⁺]_i diminue rapidement sous l’action des pompes calciques dépendantes de l’ATP du RS (SERCA2) qui permettent la réintégration du Ca²⁺ dans ce compartiment, tandis que le reste du Ca²⁺ est extrudé, principalement par l’échangeur Na⁺-Ca²⁺ (NCX) et, dans une moindre mesure, par les pompes calciques de la membrane plasmique (PMCA) [ 2] (Figure 1).

Figure 1. Le couplage excitation-contraction dans un myocyte ventriculaire. Le schéma illustre les éléments fondamentaux responsables des mouvements calciques et de la contraction à l’intérieur d’un myocyte cardiaque. Les tubules transverses (tubules T) sont des invaginations de la membrane plasmique qui permettent de porter la dépolarisation (potentiel d’action) à l’intérieur de la cellule cardiaque. Dans les tubules T sont insérés des canaux calciques de type L (LTCC), dont l’ouverture est responsable de l’influx calcique initial. En face des LTCC, au niveau de structures nommées dyades, se trouvent les canaux calciques des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique, ou récepteurs de la ryanodine de type 2 (RyR2). L’ouverture des RyR2 est déclenchée par l’influx calcique provenant des LTCC et conduit à la libération du Ca2+ contenu dans le réticulum sarcoplasmique. L’augmentation de la concentration cytosolique de Ca2+ qui en résulte permet l’activation des myofilaments et la contraction cardiaque. Lors de la relaxation, le Ca2+ se détache des myofilaments, puis est transporté activement du cytoplasme dans le réticulum sarcoplasmique par les pompes ATPases calciques du RS (SERCA2). Ces pompes sont régulées négativement par une protéine accessoire, le phospholamban. La fraction de Ca2+ entrée par les LTCC est extrudée par l’échangeur Na+/Ca2+ (NCX) et, dans une moindre mesure, par les pompes ATPases Ca2+ de la membrane plasmique (PMCA). Ext : milieu extracellulaire ; Int : milieu intracellulaire.

Figure 1. Le couplage excitation-contraction dans un myocyte ventriculaire. Le schéma illustre les éléments fondamentaux responsables des mouvements calciques et de la contraction à l’intérieur d’un myocyte cardiaque. Les tubules transverses (tubules T) sont des invaginations de la membrane plasmique qui permettent de porter la dépolarisation (potentiel d’action) à l’intérieur de la cellule cardiaque. Dans les tubules T sont insérés des canaux calciques de type L (LTCC), dont l’ouverture est responsable de l’influx calcique initial. En face des LTCC, au niveau de structures nommées dyades, se trouvent les canaux calciques des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique, ou récepteurs de la ryanodine de type 2 (RyR2). L’ouverture des RyR2 est déclenchée par l’influx calcique provenant des LTCC et conduit à la libération du Ca2+ contenu dans le réticulum sarcoplasmique. L’augmentation de la concentration cytosolique de Ca2+ qui en résulte permet l’activation des myofilaments et la contraction cardiaque. Lors de la relaxation, le Ca2+ se détache des myofilaments, puis est transporté activement du cytoplasme dans le réticulum sarcoplasmique par les pompes ATPases calciques du RS (SERCA2). Ces pompes sont régulées négativement par une protéine accessoire, le phospholamban. La fraction de Ca2+ entrée par les LTCC est extrudée par l’échangeur Na+/Ca2+ (NCX) et, dans une moindre mesure, par les pompes ATPases Ca2+ de la membrane plasmique (PMCA). Ext : milieu extracellulaire ; Int : milieu intracellulaire.

Ce processus, appelé couplage excitation-contraction (CEC), est sous le contrôle de la voie de l’adénosine 3’,5’-monophosphate cyclique (AMPc) qui constitue un relais essentiel de la régulation nerveuse du cœur. La libération de noradrénaline des terminaisons sympathiques ou la décharge d’adrénaline par les glandes surrénales activent les récepteurs β-adrénergiques (β-AR), entraînant une activation, via les protéines G stimulatrices (G_s), des adénylate cyclases (AC) responsables de la synthèse d’AMPc. Classiquement, l’effet inotrope positif de l’AMPc est attribué à l’activation de la protéine kinase dépendante de l’AMPc (PKA) qui phosphoryle les LTCC et les RyR2, conduisant à une augmentation de la [Ca²⁺]_i et donc de la contraction. La PKA phosphoryle aussi le phospholamban (PLB), ce qui lève l’inhibition tonique exercée par cette protéine sur la SERCA2 et accélère le repompage du Ca²⁺ dans le RS. Enfin, la PKA phosphoryle la troponine I (TnI) au niveau des myofilaments, ce qui diminue leur affinité pour le Ca²⁺. La phosphorylation du PLB et de la TnI concourent à une accélération de la relaxation cardiaque (effet lusitrope positif) [2]. En plus de la PKA, l’AMPc peut activer les canaux HCN (hyperpolarisation-activated cyclic nucleotide-gated channels) impliqués dans la régulation de la fréquence cardiaque [ 3, 4], et le facteur d’échange des petites protéines G Rap, Epac (exchange protein activated by cAMP), impliqué dans l’hypertrophie cardiaque [ 5, 6]. Des travaux récents proposent qu’Epac participe aussi à la régulation du CEC en régulant la sortie de Ca²⁺ des RyR2 [ 7] et l’affinité des myofilaments pour le Ca²⁺ [ 8].

En plus des récepteurs β-AR, les myocytes cardiaques expriment d’autres récepteurs couplés à G_s qui, bien qu’activant la même voie de signalisation, exercent des effets différents sur le cœur [ 9]. Une possible explication de ces observations est que la voie AMPc est compartimentée au niveau subcellulaire. On sait en effet que les composants de la voie AMPc ne sont pas localisés au hasard dans les myocytes cardiaques. Par exemple, la distribution des récepteurs couplés aux protéines G_s et des adénylate cyclases 5/6 (isoformes cardiaques) n’est pas la même selon que l’on considère la membrane plasmique périphérique, les tubules T ou encore les cavéolae [ 10, 11]. De plus, la PKA est localisée au voisinage immédiat de ses cibles par une famille de protéines d’ancrage, les AKAP (A-kinase anchoring proteins), qui lient aussi une variété d’autres protéines de signalisation et jouent un rôle important de plates-formes de signalisation [ 12]. À cette localisation subcellulaire spécifique des protéines s’ajoute celle du second messager lui-même, et ce malgré le caractère hautement diffusible de cette petite molécule. Les PDE, qui sont responsables de l’hydrolyse de l’AMPc et du 3’,5’-guanosine monophosphate cyclique (GMPc) en 5’-AMP ou 5’-GMP inactifs, jouent un rôle majeur dans le confinement de ces seconds messagers [ 13]. Dans le cœur, on considère principalement quatre familles de PDE (PDE1-4) qui sont capables de dégrader l’AMPc. Alors que la PDE1 et la PDE2 hydrolysent l’AMPc et le GMPc, la PDE3 hydrolyse préférentiellement l’AMPc et la PDE4 est spécifique de l’AMPc. La PDE1 est activée par le complexe Ca²⁺/calmoduline ; la PDE2 est stimulée par le GMPc ; et la PDE3 est inhibée par le GMPc. Une cinquième PDE, la PDE8A, hydrolyse spécifiquement l’AMPc et a récemment été impliquée dans le contrôle du CEC cardiaque chez la souris [ 14].

Ainsi, un myocyte cardiaque exprime de multiples PDE dont les propriétés enzymatiques, le mode de régulation et la localisation subcellulaire diffèrent. Cette variété d’isoformes permet de contrôler localement de multiples pools d’AMPc en réponse à l’activation de différents récepteurs couplés à G_s, et joue un rôle crucial dans la spécificité d’action du second messager [ 15]. Le niveau d’expression des quatre familles présente une grande variabilité inter-espèce et dépend également du stade de développement et du territoire cardiaque considérés. Toutefois, chez l’homme et la plupart des mammifères, les PDE3 et PDE4 sont les deux familles majeures qui contrôlent le CEC cardiaque [ 16].

Les PDE3 et PDE4 constituent un mécanisme important de prévention des arythmies cardiaques liées à l’activation de la voie β-adrénergique. Ainsi, malgré des effets hémodynamiques bénéfiques à court terme, de nombreux essais cliniques ont montré que l’utilisation prolongée des inhibiteurs de PDE3 chez des patients en insuffisance cardiaque (IC) augmente le taux de mortalité, et qu’une partie importante de cette augmentation est due à une incidence accrue de morts subites par arythmies [ 33]. Plusieurs mécanismes peuvent être à l’origine de ces arythmies. L’inhibition chronique de la PDE3 active le répresseur transcriptionnel ICER (inducible-cAMP early repressor) qui induit l’apoptose des myocytes cardiaques [ 34]. Ce phénomène pourrait contribuer au remodelage structural du cœur, fournissant ainsi un substrat favorable aux troubles du rythme. Une autre possibilité est que les effets proarythmiques soient une conséquence directe des changements de Ca²⁺ intracellulaire responsables de l’augmentation de contractilité. En particulier, l’inhibition de la PDE3 pourrait induire une surcharge calcique à l’origine d’arythmies déclenchées. À notre connaissance, il n’a pas été décrit d’arythmie ou de pathologie cardiaques dans les modèles de souris invalidées pour la PDE3A ou la PDE3B [23, 24]. Ceci pourrait être lié à la contribution importante de la PDE4 dans cette espèce. De fait, in vivo, les souris PDE4B^−/− et PDE4D^−/− présentent une susceptibilité augmentée aux tachycardies ventriculaires sous catécholamines ou en condition de stress [29, 31]. Dans le cas des souris PDE4B^−/− , ces arythmies sont déclenchées par un train de stimulation rapide, mais pas par des extrasystoles, et ne sont pas associées à une modification de la période réfractaire, ce qui est compatible avec une altération de l’homéostasie calcique plutôt qu’avec un mécanisme de réentrée ou une altération de la conduction [29]. À la différence des souris PDE4D^−/− qui développent une cardiomyopathie dilatée en vieillissant [31], les souris PDE4B^−/− ne présentent pas de signes de pathologie cardiaque évidents jusqu’à l’âge de 15 mois (J. Leroy, G Vandecasteele ; résultats non publiés). Au niveau cellulaire, les myocytes déficients pour PDE4B ou PDE4D présentent une augmentation de la fréquence des transitoires calciques spontanées sous stimulation β-AR [29]. Comme mentionné plus haut, ceci semble avoir pour origine une augmentation de l’influx de Ca²⁺ chez les souris PDE4B^−/− , tandis que des anomalies du repompage et de la libération de Ca²⁺ par le RS sont associées à la perte de PDE4D. Le lien entre PDE et arythmies est encore renforcé par l’analyse du phénotype de souris invalidées pour la phosphatidylinositol 3 kinase γ (PI3Kg ^−/− ), une protéine kinase multifonctionnelle qui est aussi une protéine d’ancrage de la PKA [ 35] et qui peut lier certaines PDE. Les souris PI3Kg  ^−/− présentent une sensibilité accrue à une surcharge cardiaque de pression, initialement attribuée à une diminution de l’activité PDE3B consécutive à la perte de la PI3Kγ [17]. Une étude récente montre que ces souris présentent aussi une vulnérabilité accrue aux arythmies ventriculaires induites par stimulation des récepteurs β₂-AR. Elle a permis de montrer qu’en plus de la PDE3B, l’activité des PDE3A, PDE4A et PDE4B est diminuée chez les souris PI3Kg ^−/− [ 36]. Ceci est dû à un défaut d’activation de ces PDE par la PKA, suite à la perte de la PI3Kγ. La diminution d’activité de ces PDE conduit à une augmentation de l’accumulation d’AMPc sous stimulation β₂-AR, à l’hyperphosphorylation des canaux LTCC et du PLB, et à une augmentation de la libération spontanée de Ca²⁺ dans les myocytes déficients pour PI3Kγ [36].

Dans les fibres atriales humaines, l’inhibition sélective de la PDE3, mais aussi celle de la PDE4, augmentent les arythmies provoquées par la stimulation des récepteurs β-AR [32]. Au niveau cellulaire, l’inhibition de la PDE4 augmente la libération spontanée de Ca²⁺ du RS et active l’échangeur Na⁺/Ca²⁺, ce qui produit un courant entrant dépolarisant qui peut être à l’origine de postdépolarisations tardives et d’activités déclenchées [32]. L’activité PDE4 mesurée dans les oreillettes droites de patients en fibrillation atriale permanente tend à être diminuée par rapport à celle de patients en rythme sinusal, ce qui suggère que la PDE4 pourrait jouer un rôle dans le développement de la fibrillation atriale chez l’homme [32].

Les taux de catécholamines circulants sont chroniquement augmentés dans l’insuffisance cardiaque (IC). Cela est associé à un remodelage de la voie de signalisation β-adrénergique, caractérisé notamment par une diminution des récepteurs β₁-AR, un découplage des récepteurs β₂-AR de la protéine G_s, une augmentation des protéine kinases associées à ces récepteurs et une augmentation des protéines G_αi inhibitrices des AC [ 37]. On observe aussi des modifications du profil d’expression et d’activité des PDE dans l’IC, notamment une diminution de l’expression et de l’activité de la PDE3 (bien que les résultats soient moins clairs chez l’homme) [16]. Dans un modèle d’hypertrophie pathologique par surcharge de pression chez le rat, nous avons observé une diminution de l’activité PDE totale due à une baisse d’expression et d’activité des PDE3A, PDE4A et PDE4B [ 38]. En revanche, dans un modèle d’installation d’hypertrophie cardiaque induite par l’angiotensine II, on observe une augmentation d’activité PDE4 accompagnée d’une augmentation d’expression de la PDE4A de 69-kDa et d’une diminution d’expression des PDE4D de 52- et 76-kDa [26]. Ces résultats suggèrent que les niveaux d’expression des isoformes de PDE3 et PDE4 sont régulés de façon spécifique selon le type de stimulus utilisé pour induire l’hypertrophie cardiaque et le stade de la pathologie. Alors qu’une augmentation des PDE peut participer au phénomène de désensibilisation de la voie β-AR, leur diminution pourrait représenter un mécanisme compensateur visant à restaurer les niveaux d’AMPc et l’inotropisme. Toutefois, une diminution des PDE altère également le degré de confinement de l’AMPc, ce qui pourrait conduire à l’activation illégitime ou excessive de certains pools de PKA ou des facteurs d’échanges Epac, et favoriser ainsi le remodelage pathologique et les troubles du rythme cardiaque. Cette hypothèse est étayée par les résultats d’une étude récente montrant qu’une isoforme particulière de PDE4D, la PDE4D5, régule l’activation d’Epac1 et le programme hypertrophique lors d’une stimulation des récepteurs β₂-AR [ 39].

En conclusion, une meilleure compréhension des altérations spécifiques des différentes isoformes de PDE3 et PDE4 dans l’hypertrophie et l’insuffisance cardiaque, et de leurs conséquences sur le CEC et le remodelage hypertrophique pourrait permettre l’élaboration de stratégies thérapeutiques nouvelles visant à améliorer la fonction cardiaque sans augmenter le risque d’arythmies.

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

Ce travail est soutenu par l’Agence nationale de la recherche (BLAN 1139 01) et la région Île-de-France.