5.1 La phosphorylation oxydative et la glycolyse aérobie
Les grandes voies de synthèse des biomolécules (acides nucléiques, acides aminés, lipides, etc) sont regroupées au sein du métabolisme central du carbone (MCC) permettant la génération d’énergie et de précurseurs métaboliques à partir du glucose. Le métabolisme du glucose est différent selon que les cellules sont en phase de prolifération ou qu’elles sont différentiées (Vander Heiden et al., 2009). Pour les cellules différentiées, le pyruvate issu de la glycolyse est utilisé dans les mitochondries en présence d’oxygène pour libérer de l’énergie sous forme d’ATP. Lorsqu’elles sont en phase de prolifération (ou lorsque les cellules sont cancéreuses), le pyruvate issu de la glycolyse va servir à produire de l’acide lactique, en conséquence, peu de pyruvate entre dans les mitochondries pour générer de l’ATP, c’est ce qu’on appelle la glycolyse aérobie, également décrit sous le nom d’effet « Warburg » dans les cellules tumorales. Dans ces conditions, la consommation de glucose mais également de glutamine est augmentée, le plus faible rendement énergétique de cette fermentation est compensé par une augmentation de la consommation de glucose, ce qui permet d’obtenir l’énergie et la synthèse de biomasse nécessaire aux cellules (Figure 28).
Energy production Energy production and increased biomass synthesis
5.2 Perturbations du métabolisme central du carbone par
les virus
De plus en plus d’études traitent du comportement métabolique des cellules infectées par des virus. Entre les deux comportements métaboliques décrits précédemment, quel est celui adopté par les cellules infectées? Il a été montré pour de nombreux virus que l’infection des cellules induit des perturbations du métabolisme du carbone et de la glycolyse. Une liste des virus pour lesquels cela a été décrit est présentée Figure 29.
Le virus qui a été le plus décrit dans ce contexte est l’infection par le Cytomégalovirus humain (HCMV). Il a été montré que l’infection par l’HCMV induit une augmentation de la consommation de glucose mais avec un faible impact sur la production d’ATP. Le flux glycolytique est accru et le fonctionnement du cycle de l’acide citrique augmente ce qui favorise la génération de précurseurs pour la synthèse d’acides gras, d’acides aminés mais également de nucléotides nécessaires à la réplication du virus (Munger et al., 2008). Ainsi une interférence entre la réplication virale et le métabolisme bioénergétique semble être un trait commun aux infections virales.
Cytomégalovirus humain (HCMV) (Munger et al., 2008), (Chambers et al., 2010),
(Vastag et al., 2011), (Yu et al., 2011), (Terry et al., 2012)
Virus de l’herpès simplex 1 (VHS-1) (Abrantes et al., 2012)
Adénovirus 5 (Thai et al., 2014)
Virus herpès humain 8 (VVH-8) (Delgado et al., 2010)
VIH (Zhou et al., 2008), (Brass et al., 2008)
Virus de la Dengue (DENV) (Fontaine et al., 2015),(Fontaine et al., 2014)
VHC (Diamond et al., 2010) , (Ripoli et al., 2010),
(Ramière et al., 2014)
Figure 29. Liste des virus pour lesquels une perturbation du métabolisme de la cellule hôte a été observée.
5.3 L’infection par le VHC induit des perturbations du
métabolisme de la cellule hôte
L’infection par le VHC induit des perturbations du métabolisme glucido-lipidique, permettant au virus de se répliquer et de s’assembler (Ye, 2007). Le VHC a la particularité de détourner le métabolisme lipidique cellulaire lors de sa morphogénèse (Bartenschlager et al., 2011). La première étude protéomique réalisée sur les perturbations du métabolisme de la cellule infectée par le VHC date de 2010 (Diamond et al.,). Diamond et al., ont montré que les cellules infectées par le VHC surexprimaient de nombreuses enzymes impliquées dans le métabolisme de la glycolyse, la voie des pentoses phosphates, et le cycle de l’acide citrique. Cette étude met bien en évidence que le VHC reprogramme le métabolisme de la cellule hôte pour assurer ses besoins en énergie et nutriments nécessaires à son processus réplicatif.
Récemment Ramiere et al., ont mesuré les concentrations de différents métabolites chez des cellules infectées par le VHC. Ils ont pu mettre en évidence, chez des cellules Huh7 infectées par le VHC, une augmentation de la consommation de glucose associée à une augmentation de la production d’acide lactique suggérant bien une augmentation du flux glycolytique par la voie aérobie dans ces cellules. Cette augmentation de la glycolyse aérobie permettrait une augmentation de la synthèse de macromolécules telles que les acides gras au détriment de la synthèse d’ATP dans les cellules infectées, permettant ainsi la réplication virale (Ramiere et al., 2014). Une interférence entre le métabolisme de la cellule hôte et la réplication du VHC a donc été mise en évidence, cependant très peu de choses sont connues sur le mécanisme de « détournement » du métabolisme de la cellule hôte.
5.4 Mécanismes moléculaires de la perturbation du
métabolisme de la cellule hôte par le VHC
Ramiere et al., ont cherché à mieux comprendre les mécanismes moléculaires permettant d’expliquer ces modifications du métabolisme cellulaire. Ils ont alors étudié les interactions entre
glucose, (le Km est de l’ordre de 1mM), et ont un taux d’activité élevé, l’hexokinase 4, aussi appelée glucokinase (GCK) est moins active et a une affinité plus faible pour le glucose, (le Km est de l’ordre de 10 mM). En relation avec ces paramètres cinétiques différents, ces isoenzymes ont des localisations différentes. L’HK1 est exprimée dans tous les tissus et de manière majoritaire dans le cerveau et les cellules du sang (Grossbard and Schimke, 1966; Katzen, 1967). L’HK2 est la principale isoenzyme de nombreux tissus (cœur, muscle, tissus adipeux…), son expression augmente dans les cellules cancéreuses (Wilson, 2003). L’HK3 moins abondante, est souvent localisée dans le noyau de la cellule (Wilson, 2003). La GCK est l’isoenzyme du foie et du pancréas (Wilson, 2003). Les hexokinases 1, 2 et 3 sont constituées de deux domaines, tandis que la glucokinase d’un seul. Comme le principal isoforme des cellules Huh 7 est l’HK2, Ramiere et al., ont poursuivie leur étude avec celle-ci. Ils confirmé l’interaction entre HK2 et NS5A par des expériences de co-immunoprécipitation réciproques. Ils ont pu montrer que l’interaction était responsable d’une modification de l’activité de l’HK2, avec une augmentation du Vmax et une diminution du KM de l’enzyme en présence de NS5A. NS5A serait un effecteur allostérique de l’enzyme. La modulation de l’activité de l’hexokinase par NS5A permettrait ainsi d’augmenter le flux glycolytique et serait crucial pour la réplication du VHC.