Hypoxie intermittente, dysfonction mitochondriale et adaptation métabolique : rôle des récepteurs

L’énergie cellulaire (ATP) peut être produite majoritairement par deux voies métaboliques : Ø Le métabolisme oxydatif (oxydations phosphorylantes)

Ø Le métabolisme glycolytique (glycolyse)

La glycolyse et les oxydations phosphorylantes (OXPHOS) sont étroitement couplées. La glycolyse est effectuée dans le cytoplasme et ne produit que 2 ATP. Le pyruvate, produit final de la glycolyse, est un combustible pour les oxydations phosphorylantes. En condition aérobie, le pyruvate pénètre dans les mitochondries pour être oxydé en acétyl CoA par la pyruvate déshydrogénase (PDH) qui, en se combinant avec l’oxaloacétate, permet de démarrer le cycle de Krebs et produire 36 ATP par la chaîne respiratoire. En condition anaérobie, le pyruvate est réduit en lactate par la lactate déshydrogénase dans le cytoplasme, puis le lactate est excrété dans l’espace extracellulaire pas des transporteurs de monocarboxylates (Zheng, 2012) (figure V.6). La glycolyse malgré son faible rendement dans la production d’énergie est très importante pour des tissus glucodépendants tels que le cerveau ou les globules rouges, qui utilisent quasi exclusivement le glucose comme substrat énergétique (Radermecker et al., 2008).

Figure V.6 : La production d’ATP à travers la glycolyse et les oxydations phosphorylantes Le glucose issu de l’alimentation est dégradé en pyruvate par le processus de glycolyse qui produit 2 ATP. Le pyruvate est transporté dans la mitochondrie pour être converti par la pyruvate déshydrogénase (PDH) et former l’acétyl CoA. En entrant dans le cycle de Krebs, il y a production des équivalents réduits (NADH et FADH2) consommés par la chaine respiratoire pour produire 36

138 Pour produire l’ATP, les cellules des mammifères dépendent à la fois de la glycolyse et des OXPHOS. Cependant, le rapport de la contribution de la glycolyse par rapport aux OXPHOS pour le rendement énergétique varie selon les cellules, l’état de croissance et les microenvironnements (Zheng, 2012). Dans des conditions normales, les cellules consomment de l’énergie dont 70 % sont fournies par les OXPHOS alors qu’en hypoxie, la production d’ATP à partir de la glycolyse augmente pour compenser la faiblesse des oxydations phosphorylantes. La glycolyse et les OXPHOS coopèrent afin de maintenir une balance énergétique cellulaire à l’équilibre. Les OXPHOS dans des conditions normales sont capables de réguler l’activité glycolytique par différentes voies pour maintenir l’équilibre énergétique (Pfeiffer et al., 2001). La pyruvate déshydrogénase (PDH) joue un rôle clé dans le changement entre le métabolisme oxydatif et le métabolisme glycolytique (Zhang et al., 2014). Sa localisation mitochondriale la place entre la glycolyse et le cycle de Krebs, qui fournit la majorité des équivalents réduits à la chaîne respiratoire mitochondriale. L’activité de la PDH est finement régulée par la PDH kinase 1 (PDK1) et la PDH phosphatase 1 (PDPC1) (figure V.7). La phosphorylation de la PDH par PDK1 rend l’enzyme inactive alors que sa déphosphorylation par la PDCP1 rend l’enzyme active.

Figure V.7 : Régulation de la pyruvate déshydrogénase

PDK1 est une cible directe de HIF-1 (Kim et al., 2006). En hypoxie, la diminution de l’oxygène cause une augmentation de la production de ROS au sein du complexe III due à l’inefficacité La PDH est une enzyme finement régulée. Elle est inactivée par phosphorylation par PDK1 et activée par déphosphorylation par PDCP1. Cette inactivation/activation permet à la chaine respiratoire mitochondriale de contrôler finement ses besoins en substrats ou équivalents réduits pour son bon fonctionnement. D’après Stanley et al., 2005.

139 de la chaîne respiratoire mitochondriale (Guzy and Schumacker, 2006). La stimulation de PDK1 inactive PDH, conduisant à une diminution du flux à travers le cycle de Krebs et à l’atténuation des OXPHOS. C’est une protection contre la production de ROS par la chaîne respiratoire mitochondriale (Kim et al., 2006). Cependant, peu de choses ont été décrites sur le fonctionnement des voies métaboliques en HI. Dans notre chapitre I nous avons rapporté que le métabolisme évalué par calorimétrie indirecte est diminué chez les rats exposés en hypoxie intermittente. Notre chapitre 2 va plus loin en rapportant une diminution de la respiration mitochondriale avec les substrats du complexe I (pyruvate + malate), mais pas avec le substrat du complexe II (succinate). Le calcul du rapport de contrôle respiratoire (RCR), indicateur du bon fonctionnement mitochondrial, suggère une dysfonction de la mitochondrie du cortex cérébral avec les substrats du complexe I et du complexe I+II, mais pas avec le substrat du complexe II seul, d’où une augmentation de la production de H2O2 avec les substrats du

complexe I+II. Nos résultats vont dans le même sens que ceux obtenus par Peng et ses collaborateurs, qui ont rapporté une diminution de l’activité du complexe I de la chaîne respiratoire, entraînant une augmentation de la production de ROS dans le corps carotidien

(Peng et al., 2003). La diminution de l’activité de ce complexe est le ralentissement de la chaîne respiratoire provoquent une augmentation de la fuite d’électrons à travers ce complexe (Khan et al., 2011; Yuan et al., 2004). Outre la diminution de la respiration mitochondriale, l’HI diminue l’activité de la pyruvate déshydrogénase (PDH). À notre connaissance, aucune autre étude ne rapporte cette diminution en HI. Deux mécanismes peuvent expliquer la baisse d’activité de la PDH. Le premier est la coopération étroite entre la glycolyse et les OXPHOS. L’HI, en diminuant la respiration mitochondriale, augmente le rapport NADH/NAD+. L’augmentation de ce rapport est connu pour inhiber l’activité de la PDH (figure V.7), afin d’éviter de produire plus d’équivalents réduits que nécessaire pour les OXPHOS (Christian Moussard, 2006). Le second mécanisme probable est que l’HI augmente la stabilisation et l’activité de HIF-1a et le fonctionnement de HIF-1 dans le cerveau (Peng et al., 2014). PDK1 étant une cible de HIF-1, alors en phosphorylant la PDH, PDK1 l’inactive (Kim et al., 2006).

Par ces deux mécanismes, l’HI réduit l’activité de la PDH et favorise un métabolisme glycolytique. Au contraire de l’hypoxie soutenue, où le changement d’un métabolisme oxydatif vers un métabolisme glycolytique est normal au vu de la baisse de l’O2, l’HI est un cas

pathologique de changement de métabolisme dont la cause principale est la dysfonction de la chaîne respiratoire mitochondriale. Afin de compléter notre étude et de répondre à notre hypothèse que l’HI favorise le métabolisme glycolytique, il est important de vérifier que l’activité de la lactate déshydrogénase est augmentée.

140 Nos traitements avec les agonistes spécifiques des récepteurs ERa (PPT) et ERb (DPN) permettent de récupérer une respiration mitochondriale normale, une diminution de la production H2O2 et une activité de la PDH semblables à celle des rats contrôles. Dans un

homogénat de cerveau, il a été rapporté que le traitement avec ces deux agonistes augmente la quantité du complexe IV, du complexe V et de la PDH comparativement à des rattes ovariectomisées. De plus, le rapport de contrôle respiratoire était plus élevé et la peroxydation lipidique diminuée (Irwin et al., 2012). Dans notre étude, le traitement avec l’agoniste b (DPN) induit une plus grande activité de la PDH qu’avec l’agoniste a (PPT). On peut l’expliquer par le fait que la quantité de PDH est plus élevée avec le traitement DPN qu’avec le traitement PPT

(Irwin et al., 2012), mais également par le fait que seul le récepteur ERb inhibe HIF-1, mais pas ERa (Lim et al., 2011, 2009). Dans tous les cas, les deux récepteurs nucléaires sont importants et sont capables de moduler le fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale, ce qui explique que l’invalidation d’un seul récepteur est capable de rendre dysfonctionnelle la mitochondrie comme nous l’avons rapporté dans notre chapitre 3.