Mécanismes d’action de l’inhibition de la PDE5 dans la dysfonction érectile

Ces dernières années, une compréhension plus approfondie de la régulation du muscle lisse du pénis a permis de mieux comprendre la physiologie de la fonction érectile normale et de la dysfonction érectile (DE), ainsi que l’introduction des inhibiteurs de la phosphodiestérase (PDE) pour le traitement de la DE. L’inhibiteur oral de la PDE5, le sildénafil, s’est révélé être un traitement sûr et efficace de ce trouble et a favorisé la poursuite des recherches sur les mécanismes sous-jacents de ces médicaments. Cet article passera en revue les voies biochimiques impliquées dans l’érection, le rôle de la PDE5 dans ces voies, et les mécanismes moléculaires impliqués dans l’activité de la PDE.

L’érection pénienne résulte de la relaxation du muscle lisse du pénis. Ce processus est médié par un réflexe spinal et intègre des stimuli sensoriels et mentaux. L’équilibre entre les facteurs qui stimulent la contraction et la relaxation détermine le tonus de la vascularisation pénienne et du muscle lisse des corps caverneux.

Chez les primates, y compris les humains, la voie L-arginine-oxyde nitrique-guanylyl cyclase-cyclique guanosine monophosphate (GMPc) est le mécanisme clé de l’érection pénienne1,2,3,4 (figure 1). L’oxyde nitrique (NO) est produit à partir de l’oxygène et de la L-arginine sous le contrôle de l’oxyde nitrique synthase (NOS). L’excitation sexuelle stimule les voies neurales qui entraînent la libération de NO par les nerfs et les cellules endothéliales directement dans le pénis. Le NO pénètre dans le cytoplasme des cellules musculaires lisses et se lie à la guanylyl cyclase. L’interaction du NO avec la guanylyl cyclase provoque un changement de conformation de cette enzyme, ce qui entraîne la production catalytique de guanosine monophosphate 3′-5′-cyclique à partir de la guanosine 5′-triphosphate. Le GMP cyclique est le déclencheur intracellulaire de l’érection pénienne. Le GMP cyclique active la protéine kinase dépendante du GMPc (PKG), qui à son tour phosphoryle plusieurs protéines. Ces interactions entre protéines kinases entraînent une réduction des niveaux de calcium intracellulaire et une relaxation conséquente des muscles lisses artériels et trabéculaires, ce qui entraîne une dilatation artérielle, une constriction veineuse et la rigidité de l’érection pénienne.

Puisque le GMPc joue un rôle clé dans ce processus, les interventions potentielles pour une relaxation inadéquate des muscles lisses incluent l’augmentation du niveau de GMPc intracellulaire. La PDE5 inhibe normalement l’érection pénienne en dégradant la GMPc. Cette dégradation se produit au niveau du site catalytique en présence de zinc lié. Les inhibiteurs de la PDE5 réduisent l’activité de la PDE5 en entrant en compétition avec le GMPc et augmentent par conséquent le niveau de GMPc. En l’absence de stimulation de la voie du NO, l’inhibition de la PDE5 est inefficace. Dans des bandes isolées des corps caverneux, le sildénafil détend le muscle lisse en amplifiant les effets des mécanismes de relaxation normaux et endogènes dépendant du GMPc, mais produit peu d’effet en l’absence d’un donneur de NO.5

Puisque l’excitation sexuelle stimule cette voie spécifiquement dans le pénis, les inhibiteurs de la PDE5 ont un effet relativement faible sur le muscle lisse des autres tissus.

La PDE5 est la phosphodiestérase prédominante dans les corps caverneux. Cependant, au moins 11 familles de PDE ont été identifiées chez les mammifères6,7,8,9 (figure 2, tableau 1). Certains types de PDE sont associés à plus d’un gène et certains ARNm présentent deux variantes d’épissage ou plus ; il en résulte plus de 50 espèces de PDE. Certains types de PDE sont spécifiques de l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) ou du GMPc, et certains dégradent les deux. La PDE11, par exemple, dégrade à la fois l’AMPc et le GMPc, tandis que la PDE4 est spécifique de l’AMPc, et la PDE5 est spécifique du GMPc. La réactivité croisée des inhibiteurs de la PDE peut être attribuée en grande partie aux similitudes de leur domaine catalytique homologue. L’ARN messager a été détecté dans le tissu du corps caverneux humain pour les isoformes de PDE humaines : PDE1A, PDE1B, PDE1C, PDE2A, PDE3A, PDE4A, PDE4B, PDE4C, PDE4D, PDE5A, PDE7A, PDE8A et PDE9A.10 La plupart des PDE de mammifères sont des dimères, mais la signification fonctionnelle de cette dimérisation est inconnue. Certaines, comme la PDE5, ont deux sous-unités identiques (homodimères), et d’autres, comme la PDE6, ont deux sous-unités différentes (hétérodimères).

Les PDE diffèrent également par la nature du domaine régulateur de l’enzyme et par le rôle de la phosphorylation. Dans tous les cas, le domaine catalytique est situé vers l’extrémité carboxyle, et le domaine régulateur est situé vers l’extrémité amino. Un fragment monomère de la PDE5 conserve les caractéristiques catalytiques essentielles de l’enzyme dimérique complète.11 Les domaines de régulation diffèrent selon les sous-types. Par exemple, dans la PDE1, la liaison au calcium régule l’enzyme. La phosphorylation est importante pour certains, dont la PDE5. Certains possèdent un ou plusieurs domaines GAF, qui se lient au GMPc dans la PDE5 et représentent donc des sites allostériques (non catalytiques). En plus de son site catalytique sélectif pour le GMPc, la PDE5 contient deux sites allostériques potentiels de liaison au GMPc et au moins un site de phosphorylation pour la PKG sur chaque sous-unité12,13 (Figure 3). Le GMPc peut se lier aux sites de liaison allostériques de la PDE5, et l’occupation par le GMPc de l’un ou des deux sites stimule le site catalytique pour le GMPc. L’occupation du site de liaison allostérique par le GMPc modifie la conformation de la PDE5, ce qui expose un site de phosphorylation (sérine-92 dans l’enzyme bovine, sérine-102 dans l’enzyme humaine). La phosphorylation de la PDE5 par la protéine kinase G (PKG) augmente l’activité enzymatique ainsi que l’affinité des sites allostériques de la PDE5 pour le GMPc14,15. Il a été démontré que le niveau d’activité enzymatique augmente parallèlement à la phosphorylation, et l’augmentation de l’activité est généralement d’environ 1,6 fois.

Dans l’aorte de rat et les cellules musculaires lisses humaines, l’activation de la PKG par le 8-Br-cGMP entraîne la phosphorylation et l’activation de la PDE5, alors que le 8-Br-cAMP n’a aucun effet16,17. Cela représente un contrôle par rétroaction négative dans les cellules musculaires lisses, puisque l’élévation du GMPc stimule la dégradation du GMPc. Le blocage de ce mécanisme de rétroaction négative par l’occupation du site catalytique est en partie responsable de l’effet des inhibiteurs de la PDE5 sur l’érection pénienne.

Puisqu’ils élèvent le niveau de GMPc, les inhibiteurs de la PDE5 potentialisent leurs propres actions puisque la liaison du GMPc au site allostérique stimule une nouvelle liaison de l’inhibiteur de la PDE5 au site catalytique. On pense que chaque inhibiteur de la PDE5 présente le même mécanisme, mais cela n’a pas été établi.

Plusieurs mécanismes de rétroaction négative entrent en jeu pour abaisser le niveau de GMPc lorsqu’il est élevé. Une dégradation accrue se produit simplement par un effet d’action de masse (c’est-à-dire une disponibilité accrue de substrat pour la PDE5.) De plus, la PKG phosphoryle la PDE5, ce qui entraîne son activation. Cela entraîne une dégradation encore plus importante de la GMPc. La phosphorylation augmente également la liaison de la PDE5 au site allostérique du GMPc, ce qui rend moins de GMPc disponible pour l’activation de la PKG. Enfin, l’augmentation de la liaison du GMPc au site allostérique stimule la dégradation du GMPc par le site catalytique de la PDE5 et augmente encore la phosphorylation de cette enzyme.

En conclusion, des propriétés moléculaires et pharmacologiques spécifiques dotent chaque inhibiteur de la PDE5 de caractéristiques uniques. En raison de ces distinctions, les inhibiteurs sélectifs de la PDE5 sont prometteurs pour des applications pharmacologiques innovantes. Cependant, d’importantes questions sur les propriétés et la fonction des inhibiteurs de la PDE doivent encore être résolues. Par exemple :

• La phosphorylation de la PDE5 affecte-t-elle la liaison des inhibiteurs, tels que le vardénafil et le tadalafil ?

• La liaison des inhibiteurs à la molécule de PDE5 augmente-t-elle lorsque la PDE5 est phosphorylée ?

• La liaison de l’inhibiteur à la molécule PDE5 augmente-t-elle lorsque le GMPc se lie à ses sites allostériques ?
• La clairance des inhibiteurs de la PDE5 des cellules musculaires lisses est-elle retardée par la liaison étroite de ces inhibiteurs à la PDE5 dans les cellules ?

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