Stress oxydatif et reprogrammation métabolique

2.3.4.1. ROS et dérégulations métaboliques

Les espèces réactives de l'oxygène ont des effets pléiotropes sur les processus cellulaires, dont le métabolisme 387. Celui-ci est reprogrammé après un stress oxydatif pour augmenter la synthèse de diverses biomolécules, afin de remplacer les composants cellulaires endommagés. Des changements de l'état d'oxydo-réduction cellulaire peuvent modifier l'état d'oxydation des enzymes métaboliques et entraîner une modulation de leur activité. A titre d’exemple, la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) est l'une des protéines les plus oxydées en réponse au peroxyde d'hydrogène 388. Un état élevé d’oxydation de cette molécule est requis pour rediriger les intermédiaires métaboliques dans la voie des pentoses phosphates et faciliter la génération de NADPH, nécessaire pour l’adaptation des cellules à un stress oxydatif 389. De manière intéressante, la GAPDH oxydée

interagit avec les protéines liant l'ARN et l'ADN, suggérant que ces mécanismes d'adaptation ne se limitent pas à des altérations de l'activité enzymatique 387,390.

L’accumulation d’intermédiaires glycolytiques suite à un stress oxydant peut aussi être la conséquence de l’inhibition de la pyruvate kinase M2 par les ROS, qui augmente le flux à travers la voie PPP 391. PKM2 contrôle également le flux dans la voie de biosynthèse de la sérine 392, soutenant ainsi la production de glutathion 387,393,394.

La fructose-2,6-bisphosphatase (Fru-2,6-BP) autrement appelée TIGAR et dont l’expression est induite par les ROS, joue également un rôle clé dans la modulation du métabolisme en réponse au stress oxydatif 395. En effet, cette protéine régule les niveaux intracellulaires de Fru-2,6-BP et donc l’activité de PFK1. L’inhibition de cette dernière détourne les métabolites dans la voie PPP, augmentant de ce fait la production de NADPH et la réponse anti-oxydante ^396–399. TIGAR peut aussi se lier à l’hexokinase 2 et favoriser son activité au niveau des mitochondries pendant l’hypoxie, limitant la production de ROS 400. Ainsi, la régulation de l’activité enzymatique glycolytique par les ROS soutient la réponse anti-oxydante 387.

Enfin, l'oxydation des enzymes du cycle TCA, de la chaîne de transport d'électrons (ETC) et de la voie de la β-oxydation se produit après un stress oxydatif, de manière réversible ou irréversible. La S-glutathionylation (par formation de ponts disulfure), réaction d’oxydation réversible et temporaire, protège les enzymes du cycle TCA, de l’ETC ou de la β-oxydation contre une oxydation irréversible due à un niveau élevé de ROS. Elle peut aussi diminuer la production de ROS par la mitochondrie en réduisant son activité 401.

2.3.4.2. ROS et hypoxie

Au sein d'une masse tumorale croissante, les cellules cancéreuses font face à des cycles d'hypoxie et de réoxygénation 337,402,403. Un état d’hypoxie prolongé pouvant entraîner la mort, les cellules malignes modulent leur métabolisme vers un phénotype « Warburg » afin de s’adapter aux conditions d’anoxie et permettre la progression tumorale 337,404. L'hypoxie engendre l’expression de plusieurs facteurs de transcription, dont HIF-1.

Lors de conditions pauvres en oxygène, l’enzyme anti-oxydante MnSOD supprime l'induction de HIF-1α dans les cellules de carcinome mammaire, alors que l’anion superoxyde O2•- et l’augmentation de la production d’H2O2 contribuent à son accumulation 355. Ces données suggèrent par ailleurs que plusieurs types de ROS sont impliqués dans la réponse à l’hypoxie 337,355.

Les ROS sont capables d’induire et de stabiliser HIF-1α de différentes manières, par exemple en activant la voie PI3K/AKT après inhibition de PTEN, par oxydation de résidus cystéine 405. La sur-activation d’AKT, facteur majeur associé à l’augmentation de la glycolyse

facteur HIF-1. Celui-ci est à l’origine de la transcription de gènes codant les transporteurs du glucose et des enzymes de la glycolyse ; il empêche également l’entrée du pyruvate dans la mitochondrie, inhibant ainsi la phosphorylation oxydative 310. D’autre part, les ROS stabilisent HIF-1α suite à une surproduction mitochondriale de peroxyde d’hydrogène H2O2 ^52,405,148. Il est intéressant de noter que les mitochondries augmentent leur production de ROS en réponse à l’hypoxie. En effet, une commutation entre deux sous-unités du complexe IV de la CRM se produit, donnant lieu à une meilleure efficacité de la respiration mitochondriale et de ce fait, à la production de radicaux superoxydes par le complexe III 408. Présente dans les mitochondries, la MnSOD convertit ces radicaux O2•- en H2O2 qui s’accumule dans le cytosol et permet la stabilisation d’HIF-1α en inhibant l’activité de la protéine PHD. L’augmentation de l’expression de HIF-1α est corrélée à un mauvais pronostic et à une invasivité accrue des cellules cancéreuses 337.

Outre leur impact sur le facteur de transcription HIF-1, les ROS ont la capacité d’oxyder directement des protéines clés de la glycolyse, comme PKM2. Lorsque les niveaux de ROS sont élevés, cette dernière est inactivée ; il en résulte une redirection des métabolites de la glycolyse vers la voie des pentoses phosphates, à l’origine de la biosynthèse de macromolécules et de la génération de NADPH, puissant facteur anti-oxydant 352.

Lors de la croissance tumorale, de nombreuses néo-vasculatures sont développées pour faciliter l'apport d'oxygène et de nutriments au centre de la tumeur ; on parle d’angiogénèse tumorale. La prolifération des cellules endothéliales, la migration et la formation de tubes sont trois des événements clés de ce processus 339,409. Plusieurs études suggèrent un rôle des ROS dans l’organisation de ces événements. Les conditions hypoxiques stimulent le développement des vaisseaux sanguins, de sorte que le flux sanguin dans ces nouveaux vaisseaux, souvent chaotique, provoque un stress oxydatif par le biais de périodes d'hypoxie et de réoxygénation 337. Les ROS régulent la signalisation du facteur pro-angiogénique VEGF de plusieurs manières. Ainsi, ces ROS induisent l’expression du VEGF et de son récepteur VEGFR suite à la stabilisation de HIF-1α 384,410, mais engendrent aussi l’activation de ce récepteur en modulant les voies de signalisation PI3K/AKT et MAPK

339,411. La suppression des ROS endogènes après traitement par des inhibiteurs de l’activité

mitochondriale ou de la glutathion péroxydase diminue l’induction de HIF-1 et l’expression de VEGF dans les cellules cancéreuses 337.

D’autre part, la génération d’H2O2 par NOX4 entraîne la prolifération des cellules endothéliales, alors que NOX4 promeut leur survie en prévenant l’apoptose 339. Enfin, les ROS régulent divers facteurs de transcription et gènes impliqués dans ce phénomène d’angiogénèse, tels que REF-1 (redox factor-1), NF-κB, p54, COX-2 et les MMPs 339.