Le métabolisme se définit comme le processus global qui assure aux organismes vivants l'apport et l'utilisation de l'énergie libre dont ils ont besoin pour assurer leurs fonctions variées. L'énergie libre est acquise en oxydant des composés organiques comme des glucides, des lipides et des protéines. Le processus est associé à la synthèse de composés phosphorylés riches en énergie tel que l'adénosine triphosphate (ATP). Une bonne proportion de l'énergie utilisée par les organismes provient du glucose résultant de la glycolyse.
1.5.1 Glycolyse
La glycolyse est le processus de dégradation du glucose en ATP par une série de réactions enzymatiques, produisant 2 molécules d'ATP par glucose dégradé. Le glucose va entrer dans la cellule à l'aide de transporteurs spécifiques appelés GLUT composés de 4 isoformes (1 à 4). Une fois entré, le glucose subit une première réaction catalysée par l'enzyme hexokinase (HXK) qui transfert un groupement phosphorylé de l'ATP pour donner du glucose-6-phosphate (G6P). Par la suite, la molécule formée subit plusieurs réactions enzymatiques comme la phosphorylation, la déshydratation et l'hydrolyse pour aboutir au dernier metabolite étant le pyruvate. Globalement, le processus glycolytique génère 2 molécules d'ATP et une autre molécule énergétique appelée NADH (Figure 1.5). Les étapes ultérieures de la transformation du pyruvate se divisent en 2 catégories s'il y a présence adéquate ou non d'oxygène dans la cellule. En hypoxie, la glycolyse est dite anaérobique et en normoxie, la glycolyse est dite aérobique.
Glucose Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate 1,3- Diphosphoglycerate 3- Phosphoglycérate Phosphoenolpyruvate Pyruvate 2 ATP Gluœse Lactate
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Glucose-6-phosphate Fructose-6-iphosphate 1.3- Diphosphoglyoerate 3- Phosphoglycérate | PhosphoenolpyruvateI'
• Pyruvate 2 ATPFigure 1.5 : Dégradation du glucose par la glycolyse aérobique et anaérobique
1.5.1.1 Glycolyse aérobique
En normoxie, le pyruvate est métabolisé dans la mitochondrie par le complexe enzymatique appelé pyruvate déshydrogénase (PDH) en acétyl-CoA, siège du métabolisme oxydatif. L'acétyl-CoA est le premier substrat à entrer dans le cycle de Krebs où la molécule passe par diverses étapes de dégradation produisant des metabolites énergétiques comme la nicotinamide adenine dinucléotide sous forme réduite (NADH) et la flavine adenine dinucléotide sous forme réduite (FADH2). Ces molécules se font réoxyder par la suite par la chaîne respiratoire ou chaîne de transfert d'électrons qui est couplée à la synthèse d'ATP (Figure 1.6). Le transport des électrons est possible grâce à des complexes protéiques (complexes I à IV) situés dans la membrane interne mitochondriale (MIM). Les électrons sont transportés aux complexes par le coenzyme Q et la protéine membranaire périphérique cytochrome c. Pendant le transfert des électrons, les Complexes I, III et IV sont amenés à transporter des protons (H+) à travers la membrane interne
mitochondriale depuis la matrice, compartiment de faible concentration de H+, à l'espace
intermembranaire (EIM) où la concentration en H+ est élevée. Ceci génère ainsi un gradient
de potentiel de membrane positif (At|>). La synthèse de 36 ATP dans les mitochondries est médiée par la pompe à protons ATP synthéase (Complexe V) qui utilise le potentiel membranaire afin de générer ces molécules énergétiques. En plus de créer un gradient de protons intermembranaire, le transfert d'électrons par les complexes amène la formation d'espèces réactives à l'oxygène (ERO) comme l'oxygène singulet (0#) qui est toxique pour
la cellule et sort de la mitochondrie pour être transformé en peroxyde d'hydrogène (H2O2) (Zamzami and Kroemer, 2001).
Chaîne de transport des électrons
Figure 1.6 : Chaîne de transport des électrons dans la mitochondrie Figure adaptée du site www.biochem.arizona.edu
1.5.1.2 Glycolyse anaérobique
En hypoxie, l'activité de la PDH est inhibée par la pyruvate déshydrogénase kinase (PDK). Ne pouvant entrer dans la mitochondrie, le pyruvate est transformé par l'enzyme lactate déshydrogénase (LDH) pour devenir du lactate. La plus grande partie du lactate produit est exportée hors de la cellule où il redonnera du glucose (Figure 1.5).
1.5.2 Le paradoxe de Warburg
En 1926, Otto Warburg a remarqué pour la première fois que certaines cellules cancéreuses produisaient davantage de lactate dans des conditions aérobiques que des cellules normales (Warburg, 1956b). Warburg a alors émis une hypothèse controversée qui est que l'énergie produite dans les cellules cancéreuses venait préférentiellement de la glycolyse anaérobique que la glycolyse aérobique (Warburg, 1956a). Cette hypothèse émise était sans contredit paradoxale du fait que les cellules cancéreuses sont des cellules prolifératives qui ont besoin de plus d'énergie pour se multiplier. Logiquement elles utiliseraient le moyen qui rapporte le plus d'énergie par molécule de glucose dégradé, à savoir son oxydation dans la mitochondrie. Pourtant, au cours des dernières décennies, son hypothèse s'est avérée exacte. En fait, ce phénomène n'est pas seulement observé dans les cellules cancéreuses, mais il s'étend également dans les CMLV des MVR. La prochaine section est consacrée au métabolisme des cellules cancéreuses qui a été la base de recherche dans la compréhension du métabolisme des CMLV pathologiques.
1.5.3 Glycolyse anaérobique des cellules cancéreuses
Une bonne proportion de la recherche effectuée sur le métabolisme des cellules cancéreuses a été consacrée sur la compréhension de la hausse de production de lactate observée par Warburg chez des cellules hypoxiques et normoxiques. Bien après Warburg, il a été démontré que les cellules cancéreuses présentent une augmentation d'expression de certaines isoformes de la PDK, entre autres les isoformes 1 et 2, ce qui entraîne une inhibition de l'activité de la PDH expliquant ainsi la hausse de production de lactate. L'expression de ces isoformes a été montrée comme étant régulée par HIF-1 (Semenza, 2001). Le rôle de PDK au niveau de la glycolyse dans les tumeurs cancéreseuses a été démontré par l'utilisation du dichloroacétate (DCA), un inhibiteur de PDK, dans le traitement de la maladie (Michelakis et al. 2008). La PDK n'est pas la seule enzyme glycolytique à être augmentée chez les cellules cancéreuses (Kim et al., 2007).
L'expression de l'hexokinase est aussi connue pour être augmentée dans ces cellules, enzyme aussi régulée par HIF-1. Les 4 isoformes de l'hexokinase ne participent pas toutes activement dans ces cellules, car elles ne présentent pas la même affinité pour le glucose. En fait, les isoformes I à III montrent une haute affinité pour le glucose tandis que
l'isoforme IV appelée aussi glucokinase possède une moins bonne affinité pour le glucose. Afin de connaître les isoformes de l'enzyme présentes dans les cellules cancéreuses, celles-ci ont été clonées et séquencées à partir de tumeurs isolées qui présentaient un phénotype hautement glycolytique. Il a été trouvé que les séquences correspondant au type II de l'hexokinase étaient plus présentes que n'importe quelle autre isoforme dans les tumeurs (Rempel et al., 1996). En fait, l'hexokinase II, qui est normalement trouvée à des niveaux faibles dans les muscles et le tissu adipeux, était exprimée environ 100 fois de plus que la normale dans ces tumeurs. Il a été montré également que l'hexokinase I, exprimée normalement dans le cerveau, le sein, le rein et la rétine, était présente également dans certaines tumeurs hautement glycolytique mais à des taux relativement plus faibles que la type II (Rempel et al., 1996).
En plus d'une modification des enzymes glycolytiques, certains médiateurs comme Akt présentent une activité dérégulée dans une multitude de tumeurs malignes. L'hyperactivité d'Akt dans les cellules cancéreuses a été associée à une hausse de la glycolyse en augmentant l'expression des transporteurs de glucose GLUT1 et GLUT4 régulés par HIF-1 (Plas and Thompson, 2005, DeBerardinis et al., 2008).
1.5.4 Glycolyse anaérobique des CMLV dans les MVR
Dans les MVR, les CMLV stimulées par divers facteurs de croissance ou cytokines présentent une augmentation de leur métabolisme glycolytique montrée par la hausse de production de lactate et par la diminution de l'activité du cycle de Krebs (Werle et al., 2005). Comme les cellules cancéreuses, cette hausse de production de lactate est causée d'une part par une diminution de l'activité de la PDH médiée par l'augmentation de l'expression de la PDK et d'autre part par l'augmentation de l'expression de la LDH par HIF-1 (Semenza, 2001). Le rôle de ces enzymes est important dans la formation du remodelage des vaisseaux. En effet, le groupe de Kuo a montré que l'inhibition de PDK1 permettait de diminuer la formation de la néointima chez un modèle animal d'angioplastie artérielle (Kuo et al. 2010). Aussi, l'utilisation de l'inhibiteur des PDK DCA a permis de renverser et de prévenir l'hypertension pulomonaire chez le rat (Michelakis et al., 2002). De plus, comme l'hexokinase II est régulée par HIF-1 et qu'elle participe à la résistance à l'apoptose, de plus en plus de groupes de recherche s'intéresse à son rôle dans les MVR.
1.5.5 Métabolisme des lipides et MVR
En plus d'une augmentation de la glycolyse, les CMLV dans les MVR sont associées à une augmentation du métabolisme des acides gras. En effet, une récente étude a montré le rôle essentiel de l'oxydation des acides gras dans le métabolisme des pathologies vasculaires à remodelage (Sutendra et al., 2010). Puisque l'oxydation du glucose ne peut se faire dans la mitochondrie par l'inhibition de la PDH, il y a transfert de production d'énergie par l'oxydation des acides gras dans la mitochondrie, mécanisme appelé le cycle de Randle (Randle, 1998). En effet, cette dégradation des acides gras permet de produire aussi de l'acétyl-CoA et entrer dans le cycle de Krebs. Le groupe de Sutendra a utilisé un modèle de souris où le gène de la Malonyl-CoA decarboxylase (MCD) était inactivé et a démontré que ces souris ne développaient pas d'HTAP (Sutendra et al., 2010). La MCD est une enzyme essentielle dans la régulation du métabolisme des acides gras. De plus, dans les MVR, plusieurs enzymes du métabolisme des acides gras sont régulées à la hausse par le récepteur activé de prolifération des peroxysomes (PPAR) «peroxisome proliferator- activated receptor», qui est un récepteur nucléaire agissant à titre de facteur de transcription de gènes dans le métabolisme. PPAR est distingué en trois types : alpha, delta et gamma. Dans les MVR, l'isoforme PPARy se distingue par son activation accrue dans les CMLV aboutissant à une augmentation de la prise des acides gras et à une augmentation de prolifération des cellules (Rabinovitch, 2010). Finalement, PPARy serait de plus une cible de HIF-1 (Krishnan et al., 2009).
L'introduction de ce mémoire a abordé brièvement le remodelage des vaisseaux par divers mécanismes de prolifération et de résistance à l'apoptose reliés aux CMLV. De plus, le sujet du métabolisme des cellules particulièrement celui du glucose a été abordé, phénomène participant activement à la prolifération. Un lien intéressant a été crée entre ces thèmes, soit celui de l'activation du facteur de transcription HIF-1. En effet, celui-ci est reconnu pour être activé dans les cellules prolifératives, pour réguler l'hexokinase II qui possède une activité anti-apoptotique et augmenter l'expression de plusieurs enzymes glycolytiques; enzymes dérégulées dans les MVR. HIF-1 semble donc être une cible potentiellement intéressante dans le traitement des maladies vasculaires à remodelage; cible qui est le sujet de mon mémoire.