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# Récepteur nicotinique de l'acétylcholine et bronchopneumopathie chronique obstructive

Valérian Dormoy, Stéphanie Pons, Philippe Gosset, Uwe Maskos

► To cite this version:

Valérian Dormoy, Stéphanie Pons, Philippe Gosset, Uwe Maskos. Récepteur nicotinique de l'acétylcholine et bronchopneumopathie chronique obstructive. Médecine/Sciences, 2022, 38 (8-9), pp.637-639. 10.1051/medsci/2022092. hal-03778842

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Submitted on 16 Sep 2022

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Récepteur nicotinique
de l'acétylcholine
et bronchopneumopathie
chronique obstructive

Valérian Dormoy<fnref n="1" />, Stéphanie Pons<fnref n="2" />, Philippe Gosset<fnref n="3" />, Uwe Maskos<fnref n="2" />

> La bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) touche 5 à 10 % de la population adulte, et se place désormais sur le podium en termes de mortalité et de morbidité mondiales [1, 2]. Cette maladie respiratoire, qui affecte environ 4 millions de personnes en France et est responsable de 18 000 décès par an, représente donc un problème majeur de santé publique.

La BPCO est caractérisée par l'existence d'un trouble ventilatoire obstructif, qui se traduit par une réduction progressive et irréversible du volume expiratoire maximal par seconde (VEMS) [2]. La maladie résulte, à long terme, de l'inhalation de substances nocives par le tabagisme, l'exposition professionnelle à des poussières ou certains produits chimiques, ou encore la pollution de l'air. Le tabagisme est de loin la cause principale de BPCO [1, 3] : 80 % des patients européens souffrant de BPCO sont des fumeurs ou d'anciens fumeurs. Cependant, bien que les fumeurs présentent une diminution du VEMS plus rapide que les non-fumeurs, seuls 30 % des fumeurs vont développer une BPCO, ce qui suggère l'existence d'une susceptibilité individuelle non encore élucidée. La maladie peut d'ailleurs également survenir en l'absence de facteur causal évident [4]. La caractérisation d'une prédisposition génétique à la BPCO pourrait contribuer à la compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans la maladie, ainsi qu'à l'élaboration d'une stratégie préventive ou curative fondée sur le ou les facteurs de risque génétiques identifiés [5, 6].

Des études pangénomiques d'association ont permis d'identifier des polymorphismes nucléotidiques associés à la BPCO, mais aussi à la dépendance à la nicotine et au cancer bronchique, et notamment le variant rs16969968 du gène *CHRNA5* (α5SNP) codant la sous-unité α5 des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine (nAChR). Ce variant est très fréquent dans la population générale puisqu'il est présent chez 15 % des personnes à l'état homozygote et chez 45 % à l'état hétérozygote.

Les nAChR sont des protéines transmembranaires composées de 5 sous-unités organisées autour d'un pore central. Il existe 17 sous-unités (10 sous-unités α, 4 sous-unités β, et γ, δ et ε) qui s'assemblent entre elles pour former des hétéropentamères α/β ou des homopentamères (α7). Ces récepteurs-canaux sont présents dans la plupart des cellules du corps humain. Ils sont activés par l'acétylcholine, leur ligand endogène, mais aussi par la nicotine chez les fumeurs. La fixation du ligand entraîne l'ouverture du canal cationique et un flux d'ions Na⁺ et Ca<fnref n="2" />⁺ du milieu extracellulaire vers le cytoplasme (Figure 1). La dépolarisation membranaire qui en résulte entraîne par exemple la contraction de la cellule musculaire, ou la libération de neurotransmetteurs par les neurones du cerveau. Les récepteurs nicotiniques neuronaux sont notamment responsables de l'addiction au tabac, qui implique le circuit dopaminergique de la récompense [7]. Nous avions précédemment décrit l'expression des dif-

férentes sous-unités des récepteurs nicotiniques dans le poumon humain [8]. Par des approches complémentaires in vitro, ex vivo, et in vivo chez la souris, nous venons de mettre en évidence le rôle du variant α5SNP dans le développement de lésions pulmonaires similaires à celles observées chez les patients présentant une BPCO [9]. Nous avons d'abord analysé le remodelage épithélial et l'inflammation sur des prélèvements humains de polyposes permettant notamment l'isolement de cellules épithéliales respiratoires. Le variant α5SNP était associé à une hyperplasie de cellules sécrétrices de mucus et une augmentation du recrutement des cellules inflammatoires.

Des modèles murins pour mettre en
evidence le phénotype pulmonaire
induit par le variant génétique α5SNP

Nous avons créé une souris « humani-
sée » porteuse de la mutation α5SNP
(souris α5SNP), par recombinaison
homologue dans les cellules souches
embryonnaires (Figure 2), et avons
découvert que l'épithélium des voies
respiratoires de ces souris était spontan-
ément remodelé, avec une hyperplasie
des cellules caliciformes dans l'épithé-
lium respiratoire nasal ainsi que dans
les bronches extra-lobulaires. Cette
augmentation du nombre de cellules
productrices de mucus était accompa-
gnée d'une diminution du nombre des
cellules Club, connues pour leurs pro-
priétés anti-inflammatoires, dans les
voies respiratoires aussi bien proximales
que distales.

<footnote n="1">¹Université de Reims Champagne-Ardenne, Inserm, P3Cell UMR-S1250, SFR CAP-SANTE, Reims, France.</footnote>

<footnote n="2">²Institut Pasteur de Paris, Université Paris Cité, Neurobiologie intégrative des systèmes cholinergiques, CNRS UMR 3571, Paris, France.</footnote>

<footnote n="3">³Université de Lille, CNRS UMR8204, Inserm U1019, CHRU Lille, Institut Pasteur Lille, Centre d'infection et d'immunité de Lille, Lille, France.</footnote>

<footnote>valerian.dormoy@univ-reims.fr</footnote>

<footnote>uwe maskos@pasteur.fr</footnote>
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 1.** *Structure et assemblage des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine.* A. Représentation des différents assemblages de sous-unités nicotiniques. B. Représentation schématique d'une sous-unité de récepteur nicotinique avec ses quatre hélices intra-membranaires, son domaine extracellulaire N-terminal, son extrémité C-terminale et son long domaine intracellulaire. C. Modèle d'assemblage des pentamères avec les sites de liaison de ligands, comme l'acétylcholine (ACh) ou la nicotine, et l'ouverture du canal cationique après activation du récepteur par le ligand.</figcaption></figure>

Il convient par ailleurs de noter que les souris α5SNP âgées ont développé spon-
tanément un emphysème, conséquence
de la destruction progressive des alvéoles
pulmonaires, alors qu'une augmenta-
tion significative du nombre des cellules
inflammatoires, en particulier des macro-
phages, était apparue dès l'âge de 24
semaines. Nous avons rendu encore plus
apparente la composante inflamma-
toire associée à ce modèle murin par une
instillation intranasale de polidocanol
pour induire des lésions locales des voies
respiratoires suivies d'une inflamma-
tion et d'une cicatrisation, une condition
similaire aux lésions initiales observées
dans la BPCO humaine. Le recrutement
de cellules inflammatoires était aug-
menté chez les souris α5SNP, comme en
témoignait la présence des granulocytes
éosinophiles, des granulocytes neutro-
philes et des macrophages, absents chez
les souris témoins. De plus, nous avons
majoré expérimentalement la compo-
sante emphysémateuse par l'instillation
intra-trachéale d'élastase pancréatique
porcine, qui a entraîné une destruction
alvéolaire plus rapide et plus importante
chez les souris α5SNP comparativement
aux souris témoins.

Pour se rapprocher du contexte de déve-
lopement de la BPCO et préciser le rôle
du variant α5SNP dans les lésions pul-
monaires, nous avons soumis des souris
à un stress oxydant à l'aide d'hydro-
peroxyde de cumène. Nous avons alors
observé une augmentation significative
de l'emphysème et de l'inflammation
chez les souris α5SNP par rapport aux
souris témoins. Chez les souris α5SNP,
l'augmentation de la hauteur de l'épi-
thélium à la jonction bronchiolo-alvéo-
laire était corrélée à la sévérité de l'em-
physème. Ces lésions étaient associées à
des modifications des courbes pression-
volume, témoignant d'une altération de
la fonction respiratoire caractéristique
de l'emphysème.

Mécanismes moléculaires impliqués
dans les effets cellulaires du variant
α5SNP

Nous avons analysé les propriétés fonc-
tionnelles des récepteurs nAChR conte-
nant ce variant de la sous-unité α5,
dans lequel l'acide aspartique (D) en
position 398 est remplacé par une aspa-
ragine (N) (D398N chez l'homme, D397N
chez la souris) : ce changement concerne
un acide aminé situé dans un site hau-

tement conservé de la boucle intracel-
lulaire de la sous-unité. Les récepteurs
contenant la sous-unité α5 présentent la
perméabilité aux ions Ca²⁺ la plus élevée
parmi les nAChR hétéropentamériques. Or
la concentration intracellulaire du Ca²⁺
contrôle de nombreux processus tels que
la plasticité, la croissance, la migration
et la survie des cellules. Nous avons éta-
bli un système de culture de cellules épi-
théliales basales triées, et analysé leurs
réponses à certains stimulus. Les cellules
issues de souris α5SNP présentaient une
diminution de l'entrée d'ions Ca²⁺ lors
de la stimulation du récepteur avec son
agoniste endogène (acétylcholine) ou
avec la nicotine. Par ailleurs, la vitesse
de prolifération des cellules basales
α5SNP était supérieure à celle des cel-
lules témoins. De plus, cette proliféra-
tion était réduite en présence d'inhibi-
teurs de l'adénylate cyclase (AC) ou des
protéines kinases A et C (PKA/C) ou RAF,
qui sont des éléments clés des cascades
de signalisation intra-cellulaire contrô-
lant la transcription des gènes impliqués
dans la multiplication cellulaire.

Nous avons également cherché à com-
prendre les mécanismes responsables
de la modulation de la prolifération
<figure><img src="image_5.png" /></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 2.** Schéma des approches expérimentales (figure adaptée de [9] et créée avec BioRender).</figcaption></figure>

cellulaire et de l'augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires *in vivo*. Nous avons mis en évidence le rôle crucial du TNF-α (*tumor necrosis factor* α) lors de la cicatrisation. Nous avons établi un modèle de lésion mécanique *in vitro* sur des cellules basales en culture. Lors de la migration des cellules dans la zone lésée, le nombre de transcrits codant le TNF-α n'était augmenté que dans les cellules α5SNP. De plus, l'augmentation était moindre en présence d'inhibiteurs de l'AC et de la PKC, suggérant que les mêmes voies de signalisation sont impliquées dans l'hyper-prolifération de ces cellules et dans leur sur-expression de cytokines inflammatoires. Seules quelques AC sont exprimées dans les cellules basales des voies respiratoires, AC3 étant la plus abondante et la seule à présenter une activité accrue lors d'une réduction de la concentration intracellulaire de Ca²⁺. Nos résultats suggèrent que AC3 est inhibée par la concentration intracellulaire élevée de Ca²⁺ dans les cellules basales des souris témoins. Notons que AC3 était activée dans les cellules basales des souris α5SNP, dans lesquelles nous avons montré que l'influx de Ca²⁺ était diminué. Par conséquent, nos résultats indiquent

que l'activation de AC3 et l'augmentation de la concentration d'AMPc qui en découle pourraient orchestrer les voies de signalisation intracellulaires impliquées dans la production de TNF-α.

## Perspectives

Cette étude apporte de nouveaux éléments contribuant à la physiopathologie moléculaire de la BPCO, en absence de la composante inflammatoire liée à l'exposition à la fumée de cigarette. L'étape suivante sera la mise en évidence expérimentale de l'implication du variant α5SNP dans le remodelage et l'inflammation pulmonaires sur des prélèvements d'épithélium bronchique de patients présentant une BPCO, et la caractérisation de l'altération potentielle de la réponse pulmonaire suite à une exposition chronique à la fumée de cigarette dans les modèles murins que nous utilisons. L'enjeu biomédical est de tester des modulateurs des récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine pour tenter d'atténuer les symptômes respiratoires de la BPCO, et de parvenir à une prise en charge personnalisée des individus souffrant de cette maladie, selon leur génotype. ♦

**Nicotinic acetylcholine receptor and chronic obstructive pulmonary disease**

## LIENS D'INTÉRÊT

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

## RÉFÉRENCES

1. Naghavi M, Abajobir AA, Abbafati C, et al. Global, regional, and national age-sex specific mortality for 264 causes of death, 1980-2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. *Lancet* 2017; 390: 1151-210.

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9. Routhier J, Pons S, Freidja ML, et al. An innate contribution of human nicotinic receptor polymorphisms to COPD-like lesions. *Nat Commun* 2021; 12: 6384.