Rôle et mécanismes d'action de la protéine Epac1 dans les pathologies cardiaques liées aux troubles du métabolisme du fer

Role and mechanisms of action of Epac1 in cardiac pathologies linked to iron metabolism disorders

• Auteur / Autrice : Ezechiel Kodjo Agbegbo
• Direction : Frank Lezoualc'h
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Maladies Métaboliques et Cardiovasculaires
• Date : Soutenance le 25/06/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Maladies Métaboliques et Cardiovasculaires (Toulouse ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université de Toulouse (EPE ; 2025-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Nieto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élise Belaidi, Sophie Vaulont, Grégoire Vandecasteele

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cardiopathies

Protéines Epac

Troubles du métabolisme du fer

Mots clés libres

Epac1

Insuffisance cardiaque

Fer

Cardiomyocytes

Epac1

Heart failure

Iron

Cardiomyocyte

Résumé

La mort des cardiomyocytes favorise le remodelage et l'insuffisance cardiaque (IC), une des premières causes de mortalité dans le monde. Bien que le fer soit important pour la survie cellulaire, son accumulation intracellulaire peut favoriser la production excessive d'espèces réactives de l'oxygène et la peroxydation lipidique pour induire la mort cellulaire par ferroptose. Plusieurs études récentes montrent que la ferroptose est un acteur majeur de la mort cardiomyocytaire dans diverses pathologies cardiaques comme l'insuffisance cardiaque (IC), les cardiopathies ischémiques et les cardiomyopathies induites par la doxorubicine. Cependant, la régulation du métabolisme du fer et de la ferroptose dans le cardiomyocyte restent encore peu connues. Nous avons préalablement montré que la protéine Epac1 activée par le second message AMP cyclique (AMPc) joue un rôle clé dans le remodelage et la mort des cardiomyocytes, et contribue à la dysfonction cardiaque dans différents contextes pathologiques tels que l'ischémie-reperfusion et une suractivité du système β-adrénergique. L'objectif général de ma thèse a été de caractériser l'implication de Epac1 dans le métabolisme du fer et la ferroptose des cardiomyocytes. Nous avons recherché les événements moléculaires entre l'activation des voies de signalisation de l'AMPc, le métabolisme du fer et la ferroptose dans l'IC. Par ailleurs, nous avons évalué si l'inhibition génétique ou pharmacologique de Epac1 peut conférer une protection vis-à-vis de la ferroptose des cardiomyocytes et de l'IC dans différents modèles de surcharge ferrique. Dans une première partie de notre étude, nous nous sommes intéressés à l'implication de Epac1 dans la mort des cardiomyocytes induite par une accumulation de fer. Nous avons observé que l'expression et l'activité de Epac1 sont augmentées dans des cardiomyocytes primaires présentant une surcharge en fer. Cette suractivation de Epac1 dans ces conditions de stress, provoquent la mort des cardiomyocytes par ferroptose. A l'inverse, l'inhibition pharmacologique de Epac1 par les petites molécules AM-001 ou CE3F4-R prévient de la ferroptose du cardiomyocyte induit par le fer citrate ammonium (FAC) et l'érastine (un inducteur de la ferroptose). Dans un deuxième travail, nous avons recherché les mécanismes moléculaires couplant Epac1 au métabolisme du fer et la ferroptose. Nous montrons que l'activation de Epac1 module l'activité post-transcriptionelle des protéines IRP1/2 (les protéines régulatrices du fer) via la protéine kinase C. Ces effets de Epac1 conduisent à une dérégulation de l'expression des protéines clés du métabolisme du fer tels que le récepteur à la transferrine (TFRC) et la ferroportine (SLC40A1). En accord avec les résultats précédents, nous montrons que l'activation de Epac1 dérégule l'expression de gènes anti-ferroptotique comme ceux impliqués dans le système antioxydant (slc3a2) et la voie du mevalonate (hmgcr). Enfin, ayant obtenu la preuve de concept des effets protecteurs de l'inhibition pharmacologique de Epac1 sur la ferroptose des cardiomyocytes, nous avons caractérisé l'effet de la délétion génique de Epac1 sur la ferroptose cardiaque induite soit par une surcharge en fer ou un traitement à la doxorubicine chez la souris. Nous montrons que les souris délétées pour le gène codant pour Epac1 (Epac1-/-) sont protégées de la dysfonction diastolique induite par la surcharge en fer. De même, la dysfonction systolique induite par la doxorubicine est significativement réduite par rapport aux animaux contrôles. Cette amélioration de la fonction cardiaque chez les animaux Epac1-/- s'accompagne d'une diminution de l'accumulation de fer (Fe2+) et de lipides peroxydés. En conclusion, ces travaux ont permis de montrer les effets délétères de Epac1 dans le myocarde de souris au cours d'une surcharge en fer et nos résultats suggèrent le potentiel thérapeutique de l'inhibition pharmacologique de Epac1 dans la ferroptose cardiaque au cours de l'IC.

Cardiomyocyte death promotes cardiac remodeling and heart failure (HF), one of the world's leading causes of mortality. Although iron is important for cell survival, its intracellular accumulation can induce excessive production of reactive oxygen species and lipid peroxidation leading to cell death by ferroptosis. Several recent studies showed that ferroptosis is a major player in cardiomyocyte death in various cardiac diseases such as heart failure (HF), ischemic heart disease and doxorubicin-induced cardiomyopathies. However, little is known about the regulation of iron metabolism and ferroptosis in the cardiomyocyte. We have previously shown that Epac1, a protein activated by cyclic AMP (cAMP), plays a key role in cardiomyocyte remodeling and death, and contributes to cardiac dysfunction in different pathological contexts such as ischemia-reperfusion and overactivity of the β-adrenergic system. Furthermore, biochemical analyses showed that Epac1 expression is increased in a mouse model of iron overload. The overall aim of my thesis was to characterize Epac1's involvement in iron metabolism and cardiomyocyte ferroptosis. We investigated the molecular events between the activation of cAMP signaling pathways, iron metabolism and ferroptosis in HF. In addition, we assessed whether genetic or pharmacological inhibition of Epac1 can confer protection against cardiomyocyte ferroptosis and HF in different models of iron overload. In the first part of our study, we investigated the involvement of Epac1 in cardiomyocyte death induced by iron accumulation. We observed that Epac1 expression and activity are increased in primary cardiomyocytes with iron overload. This over-activation of Epac1 under these stress conditions induces cardiomyocyte death by ferroptosis. In the contrary, pharmacological inhibition of Epac1 by small molecules AM-001 or CE3F4-R prevents ferroptosis in cardiomyocytes induced by ferric ammonium citrate (FAC) and erastin (a ferroptosis inducer). In a second work, we investigated the molecular mechanisms coupling Epac1 to iron metabolism and ferroptosis. We showed that Epac1 activation modulates the post-transcriptional activity of IRP1/2 proteins (the iron regulatory proteins) via protein kinase C. These effects of Epac1 lead to deregulation of the expression of key iron metabolism proteins such as transferrin receptor (TFRC) and ferroportin (SLC40A1). Finally, in line with previous results, we showed that Epac1 activation dysregulates the expression of anti-ferroptotic genes such as those involved in the antioxidant system (slc3a2) and the mevalonate pathway (hmgcr). Finally, having obtained proof-of-concept of the protective effects of pharmacological inhibition of Epac1 on cardiomyocyte ferroptosis, we characterized the effect of Epac1 gene deletion on cardiac ferroptosis induced either by iron overload or doxorubicin treatment in mice. We showed that mice deleted for the gene encoding Epac1 (Epac1-/-) are protected from overload-induced diastolic dysfunction. Similarly, doxorubicin-induced systolic dysfunction is significantly reduced compared with control animals. This improvement in cardiac function in Epac1-/- animals was accompanied by a reduction in the accumulation of iron (Fe2+) and peroxidized lipids. In conclusion, this work has demonstrated the deleterious effects of Epac1 in mice myocardium during iron overload, and our results suggest the therapeutic potential of pharmacological inhibition of Epac1 in cardiac ferroptosis during HF.