ATP,
NADH,H+
FADH2
Acide
lactique
Glycolyse
Cycle de
Krebs
LDH
Normoxie
Hypoxie
PD
Acétyl-CoA
PDK1
Cytochrome
Cox4-1
ROS
LON
Cytochrome
Cox4-2
ROS
HIF-1
Glucose
GLUT
HK
ALD
etc
tricarboxylique) pour produire de l’énergie sous forme d’ATP ainsi que du NAD(H,H+) et FADH2, qui vont secondairement permettre la production d’ATP (Figure 48).
En absence d’O2, le pyruvate va être transformé en acide lactique par la lactate deshydrogénase (LDH). Or comme l’a remarqué en 1926 Otto Warburg, les cellules tumorales produisent une grande quantité d’acide lactique même en normoxie. De nombreuses enzymes responsables du changement du métabolisme vers une glycolyse anaérobie sont directement contrôlées par HIF-1α (Semenza et al. 1994; Semenza et al. 1996) et comme HIF-1 est surexprimé dans de nombreux cancers, il est raisonnable de penser que HIF-1α est à la base de ce phénotype métabolique dans les cellules tumorales.
- Respiration mitochondriale : HIF-1 induit l’expression de l’enzyme PDK (pyruvate deshydrogénase kinase) qui inhibe la pyruvate déshydrogénase et donc, en empêchant la production d’acétylcoA, inhibe le cycle de Krebs (Kim et al. 2006a; Papandreou et al. 2006). La consommation en O2 est ainsi diminuée dans la mitochondrie. HIF-1 modifie également le complexe du cytochrome oxydase : l’isoforme utilisé en normoxie (COX4-1) est dégradée par la protéase LON induite en hypoxie tandis qu’une isoforme plus efficace (COX4-2) est transcripte.
Donc HIF-1 module les voies de signalisation métaboliques clés afin d’optimiser l’utilisation de l’oxygène et du glucose en hypoxie pour générer des quantités suffisantes d’ATP par l’inhibition du cycle de Krebs et de la respiration mitochondriale.
- Régulation du pH : La conséquence de ces modifications du métabolisme glucidique est l’augmentation de la concentration en acide lactique. Pour que les cellules survivent, il faut se débarrasser de ces acides intra-cellulaires. Or HIF-1 permet l’expression de différents transporteurs cellulaires parmi lesquels MCT4 (monocarboxylate transporter) qui permet la sortie simultané d’un H+ et d’un acide lactique, NHE1 (Na+/H+ exchanger) qui pour l’entrée d’un Na+ permet la sortie d’un H+ et l’anhydrase carbonique IX et XII (CAIX et CAXII). Ces enzymes, liées à la membrane plasmique convertissent le CO2 cellulaire en un acide carbonique (H2CO3). Celui-ci va se dissocier et l’entrée de HCO3- dans la cellule va permettre l’alcalinisation du milieu intracellulaire.
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dans le microenvironnement tumoral (Gerweck and Seetharaman 1996)) tandis que le milieu intracellulaire va maintenir son pH afin de permettre la survie cellulaire et la prolifération.
Les mécanismes moléculaires d’adaptation du métabolisme cellulaire à l’hypoxie impactent donc sur la triade i) augmentation de l’entrée de glucose, ii) augmentation de la production de lactate et iii) diminution de la respiration cellulaire.
(iii) Rôle dans l’invasion
L’hypoxie est facteur pronostic négatif pour la survie du patient. Non seulement elle augmente la résistance des cellules tumorales aux traitements anticancéreux, elle favorise l’instabilité génétique mais en plus, elle favorise la création de métastases. En effet, in vitro, des cellules tumorales de colon surexprimant HIF-1α montrent une augmentation de l’envahissement du matrigel tandis que la diminution de l’expression de HIF-1α par des siRNA bloquent l’invasion induite par l’hypoxie (Krishnamachary et al. 2003). De même, la comparaison de l’expression des gènes entre des tumeurs primaires qui présentent ou non des métastases dans la moëlle osseuse a montré une forte augmentation de HIF-1α dans les tumeurs primaires de patients possédant des métastases par rapport à ceux n’ayant pas de métastases (Liao et al. 2007). De plus, ces tumeurs présentaient également une forte diminution de pVHL et de la culline2 qui sont impliquées dans la dégradation de HIF-1α.
Le mécanisme qui permet aux cellules en hypoxie d’augmenter leur migration est dépendant d’une protéine appelée LOX (Lysyl oxydase) (Erler et al. 2006). LOX est une cible directe du facteur de transcription HIF-1, elle est donc augmentée lors de l’hypoxie. Cette augmentation de LOX est responsable de l’augmentation du nombre de métastases. En effet, des souris développant des tumeurs à partir de cellules possédant un shRNA contre LOX ou traitées avec un inhibiteur de LOX présentent une très forte diminution du nombre de métastases dans les poumons et dans le foie (Erler et al. 2006). In vitro, les cellules possédant des shRNA dirigés contre LOX, ne migrent plus, n’envahissent plus le collagène, n’adhèrent plus. Or ces propriétés d’adhésion, de migration et d’invasion sont nécessaires au processus métastatique.
puisqu’elle favorise d’une part la liaison de HIF-1 sur le promoteur de LOX et donc l’expression de cette protéine et d’autre part, elle augmente l’expression de la proteine Snail-1 impliquée dans l’invasion et la transition epithelio- mésenchymateuse (Sahlgren et al. 2008).
TWIST est un facteur de transcription de la famille bHLH qui est impliqué dans la transition épithélio-mésenchymateuse et le processus métastatique. Son expression est corrélée avec une augmentation des métastases (Lee et al. 2006). TWIST est également une cible de HIF-1 et joue donc un rôle critique dans la transition épithélio-mésenchymateuse et le processus métastatique induit par l’hypoxie. En effet, TWIST est augmenté en hypoxie du fait de la présence d‘une séquence HRE dans son promoteur proximal et l’inhibition de l’expression de TWIST permet de diminuer la transition épithélio-mésenchymateuse et le processus métastatique induit par l’hypoxie (Yang et al. 2008). De plus, il semble que TWIST régule une voie différente de celle de LOX ou Snail dans l’induction du phénotype métastatique puisque en absence de Snail (dont l’expression est diminuée par l’ajout de siRNA dirigés contre cette protéine), la surexpression de TWIST restaure seulement partiellement l’invasion et la migration des cellules observé dans les cellules exprimant normalement Snail. Les mêmes résultats ont été obtenus avec des siRNA dirigés contre LOX (Yang et al. 2008).
De plus, HIF-1 permet la transcription de nombreuses protéines impliquées dans la modification de la matrice extra-cellulaire comme la cathepsine D, la MMP-2, uPAR (urokinase plasminogen activator receptor), la fibronectine 1, la vimentine, les kératines 14, 18 et 19, ce qui permet d’augmenter l’envahissement de cette matrice extra-cellulaire (Krishnamachary et al. 2003).
L’hypoxie permet aussi via l’induction de l’expression de Ku à la membrane d’augmenter la migration et l’invasion de certaines cellules (Lynch et al. 2001). En effet, en présence de signaux hypoxiques, la localisation membranaire de Ku augmente. Or Ku à la membrane interagit avec la MMP-9 qui augmente les capacités invasives des cellules de leucémies aigues myéloides (Paupert et al. 2008). L’hypoxie augmente donc via différentes expressions de protéines dépendantes de HIF le processus métastatique.
(iv) Rôle dans l’infection et l’inflammation
L’utilisation de souris possédant des cellules immunitairs déficientes pour HIF-1α a permis de montrer un rôle de HIF-1 dans l’immunité puisque ces souris présentent
une diminution de l’œdème induit par une irritation avec un détergent. De plus, les tissus infectieux présente une concentration en oxygène < 1 %.
L’hypoxie joue un rôle à la fois dans la réponse aux bactéries, aux virus mais aussi aux parasites puisque l’infection par des bactéries GRAM + ou GRAM -, B.
Henselae, Yersiniae enterocolitica ou Salmonella enterica, par le virus RSV
(respiratory syncytial virus) ou le parasite Leishmania amazonensis entraîne une augmentation de l’expression de HIF-1α.
Cette augmentation de HIF-1 permet une meilleure réponse immunitaire à l’infection. En effet, les macrophages déficients pour HIF-1α tue moins efficacement les bactéries GRAM + ou GRAM – que les macrophages sauvages (Peyssonnaux et al. 2005). HIF-1 permet l’expression de différentes molécules (peptide anti- microbien cathelicidine, les protéases cathepsine G et élastase, TNFα et NO produit par iNOS) qui vont permettre à l’hote de se défendre. A cause de l’activation de HIF- 1, les macrophages phagocytent mieux et tuent plus efficacement les bactéries en hypoxie qu’en normoxie (Peyssonnaux et al. 2005; Anand et al. 2007).
Les capacités bactéricides et proinflammatoires sont « éteintes » en normoxie et activées par l’hypoxie ce qui va permettre la diapédèse et l’entrée de ces cellules dans les tissus infectés.
Certains virus développent des moyens de protection contre la réponse immunitaire en jouant sur HIF. En effet, Chlamydia Pneumoniae secrète des protéases qui vont dégrader HIF-1α, ce qui va permettre de bloquer la réponse immunitaire de l’hôte et donc de promouvoir leur propre survie (Rupp et al. 2007).
Tandis que des oncogènes viraux vont agir en synergie avec HIF-1 pour promouvoir le développement tumoral comme c’est le cas du virus HPV-16 (human papilloma virus-16) (Lu et al. 2007).
HIF-1 apparaît donc comme un important régulateur de la réponse immunitaire de l’hôte à différents pathogènes (pour revue, voir (Zinkernagel et al. 2007)).
(v) Rôle dans l’adipogenèse
L’hypoxie inhibe le développement des adipocytes à partir de précurseurs mésenchymateux. Cette inhibition est dépendante de HIF-1α et de PPARγ (Yun et al. 2002). En effet, dans des cellules déficientes pour HIF-1α, il n’y a plus d’inhibition hypoxique de l’adipogenèse. En fait, HIF-1 permet la transcription de DEC1/Stra13 qui réprime la transcription de PPARγ2, nécessaire à l’adipogenèse. En effet,