Hypoxie, mitochondrie et cancer

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Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 294

Hypoxie, mitochondrie et cancer

Hypoxia, mitochondria and cancer

Nathalie Mazure* ^, **, Stéphan Clavel***

* Institut de recherche sur le cancer et le vieillis-

sement, Nice (IRCAN), CNRS UMR7284, Inserm U1081, université Nice Sophia Antipolis ; centre Antoine-Lacassagne, Nice.

** MicroNit, groupement de recherche 3697, CNRS

(http://www.micronit.fr/).

*** Inserm U1065, C3M, équipe “physiopathologie cellulaire et moléculaire de l’obésité et du diabète”, Centre méditerranéen de médecine moléculaire, université Nice Sophia Antipolis, Nice.

Points forts Highlights

» L’hypoxie joue un rôle prépondérant dans le développement tumoral et est gage de mauvais pronostic pour le patient.

»^HIF(Hypoxia-Inducible Factor) est le facteur de transcription de la réponse à l’hypoxie des cellules cancéreuses.

» La mitochondrie est un acteur essentiel de la résistance à l’apoptose dans les cellules cancéreuses.

» Elle participe activement à la reprogrammation métabolique des cellules tumorales.

» Sa physiologie joue probablement un rôle important dans de nombreux processus cancéreux. Une meilleure compréhension de ces mécanismes représente un enjeu futur important en cancérologie.

Mots-clés : Cancer – HIF – Hypoxie – Mitochondrie.

Hypoxia plays a predominant role in tumor development and is a sign of poor prognosis for the patient.

HIF (Hypoxia-Inducible Factor) is the transcription factor of the cellular response to hypoxia.

Mitochondrion is an essential actor in resistance to apoptosis in cancer cells.

Mitochondrion participates actively in the metabolic reprogramming of tumor cells.

Its physiology probably plays an important role in many cancer processes. A better understanding of these mechanisms is an important future issue in oncology.

Keywords: Cancer – HIF – Hypoxia – Mitochondria.

Hypoxie et cancer

L’oxygène (O ₂) est une molécule essentielle à la vie de nombreux organismes. Elle est nécessaire pour main- tenir l’homéostasie énergétique de l’organisme et constitue un accepteur d’électrons dans de nombreuses réactions cellulaires, organiques ou inorganiques.

L’hypoxie, quant à elle, représente une diminution de la disponibilité de l’oxygène et peut être rencontrée en haute altitude, par exemple, ou dans les tissus des mammifères (1) . L’hypoxie joue un rôle physiologique important, en particulier lors de l’embryogenèse, mais peut aussi être une caractéristique prépondérante de certaines situations physiopathologiques, telles que les maladies ischémiques et le cancer. Le pourcentage d’oxygène dans l’air ambiant est de 21 %. Cependant, dès lors que cet air est inspiré dans les poumons, ce pourcentage diminue fortement (14 %). Ensuite, il varie au sein des diff érents tissus. Ainsi, l’hypoxie doit être considé- rée comme une notion relative à la teneur en oxygène basale dans le tissu concerné. Les tissus cancéreux, quant à eux, présentent de larges régions hypoxiques qui sont, la plupart du temps, un facteur de mauvais

pronostic pour le patient. La cellule cancéreuse située à proximité immédiate d’un vaisseau sanguin se trouve alors en contact avec une abondante quantité d’oxygène qu’elle va pouvoir utiliser afi n d’en retirer toute l’énergie nécessaire à une croissance rapide (fi gure 1) . Néanmoins, l’oxygénation des cellules cancéreuses est limitée par 3 mécanismes convergents. Premièrement, les cellules cancéreuses, proliférant rapidement, vont très vite se retrouver éloignées des vaisseaux sanguins. Étant donné que la distance de diff usion de l’oxygène dans le tissu tumoral est approximativement de 70 µm, les cellules cancéreuses ayant fortement proliféré et s’étant éloignées des vaisseaux sanguins ne disposeront que d’une faible concentration en oxygène. Deuxièmement, les vaisseaux sanguins, dans les tumeurs solides, sont connus pour être chaotiques. Cette perte d’organisation structurale diminue le profi l normoxique de la tumeur.

Enfi n, l’état hématologique du patient cancéreux est souvent altéré, soit par la maladie elle-même, soit par la toxicité de la chimiothérapie. Ces 3 phénomènes font que l’irrigation de la tumeur est insuffi sante, et ils contribuent donc à une disponibilité faible des nutriments et de l’oxygène au sein du parenchyme tumoral.

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Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 295 Figure 1. Structure de HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor-1-α).

HIF-1α possède des domaines bHLH et PAS impliqués dans la dimérisation avec HIF-1β et dans la liaison à l’ADN. HIF-1α contient 2 domaines de transactivation (TAD), N- et C-TAD. Le N-TAD se trouve dans le domaine de dégradation dépendant de l’oxygène (ODDD) qui est impliqué dans la stabilité de HIF-1α.

Régulation de la stabilité/dégradation et transactivation de HIF-1α. Cytoplasme : en normoxie, les PHD (Prolyl Hydroxylase Domains), qui nécessitent O₂, Fe²⁺, ascorbate et 2-oxoglutarate pour leur activité, hydroxylent les résidus Pro⁴⁰² et Pro⁵⁶⁴ sur HIF-1α, nécessaires pour la liaison avec l’ubiquitine ligase VHL (von Hippel-Lindau tumor suppressor). La protéine VHL, en ajoutant plusieurs ubiquitines, va alors cibler HIF-1α vers le protéasome . Le FIH fournit un second point de contrôle pour tout HIF-1α qui aurait pu échapper à la dégradation. FIH va bloquer la liaison de p300/CBP et inhiber ainsi la transactivation de HIF-1α. Noyau : en hypoxie, HIF-1α est stabilisé, les PHD puis FIH sont inactivés, libérant plus tardivement le long du gradient l’activité du C-TAD . HIF-1α et HIF-1β vont transloquer dans le noyau, dimériser et se fi xer sur l’élément de réponse à l’hypoxie (HRE), permettant alors l’activation ou la répression transcriptionnelle de gènes cibles de HIF-1.

PHD FIH

HIF-1α

Protéasome

bHLH : basic helix-loop-helix ; CPB : Creb-Binding Protein ; FIH : Factor inhibiting HIF-1 ; N-OH : asparagine hydroxylée ; PAS : PER-ARNT-SIM ; P-OH : proline hydroxylée.

VHL 402 564 803

bHLH N-TAD C-TADPAS ODDD

P300/

CBP

Dégradation

Cytoplasme

Noyau HIF-1α

HRE HIF-1α

HIF-1α

HIF-1β

PHD FIH

N-OH N-OH

P-OH P-OH

O₂

Vaisseau sanguin

Gènes cibles

Facteur de transcription HIF

Le principal mécanisme de la réponse adaptative des cellules cancéreuses aux diff érentes variations en oxy- gène (hypoxie) repose sur le facteur de transcription HIF (Hypoxia-Inducible Factor) [2] . Ces réponses adap- tatives sont cooptées par les cellules cancéreuses, dans lesquelles les mécanismes de rétrocontrôle ont déjà été perturbés par des mutations somatiques ainsi que des changements épigénétiques. En conséquence, l’adaptation à l’hypoxie favorise de nombreux aspects clés de la progression du cancer, qui conduisent fi nalement au

décès des patients. La voie de signalisation de l’hypoxie est composée de plusieurs étapes, à commencer par la diminution de la concentration en oxygène, qui entraîne la stabilité de HIF-α, sa liaison à l’ADN, son interaction avec les coactivateurs et, pour fi nir, l’induction ou la répression d’une myriade de gènes (fi gure 1) . On estime à l’heure actuelle que HIF est capable de réguler environ 2 % de la totalité du génome.

HIF est une protéine hétérodimérique composée de sous-unités α et β, pour lesquelles il existe 3 iso- formes (3) . HIF-1 est la plus étudiée à ce jour, mais de plus en plus de données sont disponibles concernant

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HIF-2 et notamment sur sa spécifi cité dans l’induction des gènes par rapport à HIF-1. Nos connaissances sur HIF-3 ne sont pas aussi développées pour le moment, mais la complexité de ce facteur de transcription, due à un nombre élevé de variants transcriptionnels, et son rôle potentiel de régulateur négatif de HIF-1 en font plus un acteur complémentaire dans le sys- tème HIF qu’un acteur redondant. Il y a une simili- tude importante dans les diff érents mécanismes de régulation des sous-unités α (4) . Elles sont en eff et extrêmement instables en présence d’oxygène, en raison de l’hydroxylation de 2 résidus proline (402 et 564), localisés dans le domaine de dégradation dépendant de l’oxygène (ODDD) de HIF-α, par les sen- seurs d’oxygène que sont les PHD (Prolyl Hydroxylase Domains) . HIF-α, ainsi hydroxylé, va être reconnu par la protéine VHL (von Hippel-Lindau tumor suppressor) , qui va alors fi xer des chaînes covalentes de polyubi- quitines reconnues ensuite par le protéa some. Ainsi, en présence d’oxygène, une fois HIF-α produit, celui-ci est tout aussi rapidement hydroxylé, ubiquitiné et dégradé. Cependant, en l’absence d’oxygène, les PHD, qui utilisent l’oxygène dans leur réaction d’hydroxylation, sont inactivés. Par conséquent, HIF-α échappe à l’hydroxylation ainsi qu’à l’ubiquitination qui en découle et peut être stabilisé. Toutefois, sta- bilité ne rime pas nécessairement avec activité. Une troisième hydroxylation de HIF-α, mais cette fois-ci sur un résidu asparagine (803), par un second sen- seur d’oxygène, appelé FIH (Factor Inhibiting HIF-1) , va alors inhiber son activité transcriptionnelle en bloquant totalement l’interaction de HIF-α avec les coactivateurs p300/CBP. Ainsi, l’oxygène impose un double verrou sur HIF-α en contrôlant et sa stabilité et son activité. Une fois stabilisé, HIF-α va ensuite rapidement transloquer vers le noyau et se lier à son partenaire HIF-1β, lequel est constitutivement synthétisé en normoxie et en hypoxie. Le facteur de transcription ainsi formé peut alors se lier à ses gènes cibles par l’intermédiaire d’une séquence consen- sus d’ADN de reconnaissance 5'-RCGTG-3' (R, purine [A ou G]), appelé HRE (Hypoxia Response Element) . Enfi n, les coactivateurs p300/CBP vont spécifi quement interagir avec le deuxième domaine de transactivation situé en C-terminal de HIF-α (C-TAD, domaine de transactivation C terminal), déclenchant ainsi son activité de transcription. En l’absence d’oxygène, alors que les PHD et FIH sont inactifs, HIF va pouvoir moduler l’expression de gènes impliqués dans de nombreuses fonctions jouant un rôle crucial dans la biologie du cancer, telles que l’angiogenèse, la survie cellulaire, la résistance à la chimiothérapie et à la radio thérapie,

l’instabilité génétique, l’immortalisation, l’évasion immune, l’invasion et le processus métastatiques, la prolifération, le métabolisme et la régulation du pH et, pour fi nir, le maintien dans un état de cellule souche.

Cependant, la quantité des protéines HIF-1α et HIF-2α peut être augmentée dans les cellules cancéreuses par la perte de fonction de certains gènes suppresseurs de tumeurs, tels que VHL, SDHB/C/D, FH, IDH1, p53, TSC2, PTEN et LKB1. Il en résulte alors soit une augmentation de la synthèse de HIF-α, soit une diminution de sa dégra- dation. Cela suggère très fortement que l’augmentation de l’activité de HIF représente un point de convergence commun dans la pathologie cancéreuse et que, ainsi, les sélections clonales vont favoriser les cellules cancé- reuses exprimant HIF d’une façon ou d’une autre.

Mitochondrie et cancer

Les cellules cancéreuses ont la capacité de faire fer- menter le glucose en lactate en présence d’oxygène.

Cette observation d’Otto Warburg lui a permis de for- muler, en 1956, l’hypothèse selon laquelle le cancer est causé par un dysfonctionnement de la respiration mitochondriale (5) . Cette caractéristique tumorale – la consommation accrue de glucose – a été mise à profi t pour développer le TEP-scan au 18F-désoxyglucose, technique d’imagerie largement utilisée dans le diag- nostic et le suivi des tumeurs solides. Toutefois, les tumeurs ne partagent pas toutes cette spécifi cité, et il est maintenant établi que ce ne sont pas des défauts de la chaîne respiratoire mitochondriale qui sont à l’origine de cette particularité métabolique. Ainsi, dans la plupart des cancers, l’acquisition du métabolisme glycolytique est majoritairement liée à l’apparition de mutations oncogéniques, comme l’activation de KRAS, de c-Myc ou de PI3K ou l’inactivation de PTEN ou de TP53 (6) . Cependant, la plupart des cellules tumorales conservent des mitochondries fonctionnelles et semblent même préserver leurs capacités respiratoires. Le lien entre mitochondrie et cancer est donc sensiblement plus complexe que ce qu’avait proposé Otto Warburg.

Mitochondrie et dérégulation du métabolisme cellulaire dans les cellules cancéreuses

Dans les cellules tumorales, on observe une augmentation globale du métabolisme qui leur permet d’assurer une croissance rapide, fréquemment asso- ciée à des altérations des voies métaboliques. Ces altérations favorisent la tumorigenèse en générant des “oncométabolites” afi n d’améliorer l’adaptation des cellules cancéreuses à l’environ nement tumoral

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Correspondances en Métabolismes Hormones Diabètes et Nutrition - Vol. XX - n° 10 - décembre 2016 297 Figure 2. Principales voies de biosynthèse de la mitochondrie. Le cycle de Krebs utilise les substrats produits par la glycolyse, l’oxydation des acides gras et le catabolisme des acides aminés pour générer des intermédiaires biochimiques et des électrons à haute énergie (NADH et FADH2) qui alimentent la chaîne respiratoire.

ROS, ATP

nucléotides

Chaîne respiratoire

NADH, FADH2

Citrate

Citrate Isocitrate

Glutamate

Glutamine Nucléotides, protéines,

acides aminés essentiels Succinate Fumarate Malate

OAA

NADPH

État redox

ATP : adénosine triphosphate ; OAA : oxaloacétate ; ROS : Reactive Oxygen Species.

Asparagine

Aspartate Acétyl-CoA

β-oxydation

α-cétoglutarate

constant en molécules à 4 carbones pour compenser la perte induite par la synthèse d’acides aminés et d’autres composés biochimiques. Ce réapprovisionne- ment s’eff ectue par la carboxylation du pyruvate et le catabolisme de la glutamine et d’autres acides aminés.

La mitochondrie joue également un rôle important dans la synthèse de la purine, de la thymidine et de la méthionine (7, 8) . Enfi n, parmi les voies métaboliques essentielles à la prolifération cancéreuse, la glutamine joue un rôle crucial. La glutamine est l’acide aminé le plus abondant dans le sang et la principale molé- cule qui alimente, après conversion en glutamate, le cycle de Krebs des cellules tumorales en culture. La glutaminolyse assure ainsi aux cellules cancéreuses un apport en adénosine triphosphate et en sources carbonées via le cycle de Krebs (7, 8) . Toutes ces repro- grammations métaboliques off rent des opportunités thérapeutiques intéressantes qui justifi ent l’intérêt croissant dont fait l’objet l’étude du métabolisme de ces cellules.

Mitochondrie et contrôle de la mort cellulaire Dans les cellules des mammifères, les mitochondries constituent un point de convergence de nombreux signaux apoptotiques. L’intégration de ces signaux physiologiques ou thérapeutiques au niveau de la mitochondrie déclenche la mort ou permet la survie cellulaires.

L’oncogène Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) est une pro- téine clé dans la perméabilisation de la membrane externe de la mitochondrie (MOM). Il a été montré que cette protéine, localisée sur la MOM, bloque la mort cel lulaire et favorise la prolifération tumorale.

La famille des protéines Bcl-2 comprend au moins 12 protéines. Certaines sont proapoptotiques, d’autres sont anti apoptotiques ; la balance fonctionnelle entre ces 2 groupes détermine le destin de la cellule. Les protéines antiapoptotiques de la famille Bcl-2 tendent à stabiliser la barrière fonctionnelle que constitue la MOM, alors que les membres proapoptotiques, comme Bax ou Bak, favorisent la perméabilisation de la MOM. En réponse à des stimuli apoptotiques, Bax et Bak s’oligomérisent et forment des pores dans la MOM qui permettent la libération cytoplasmique du cytochrome c. La fuite du cytochrome c de la mitochondrie provoque alors l’activation des caspases via la formation de l’apoptosome (9) .

Hypoxie et physiologie mitochondriale

Métabolisme

Lors de l’hypoxie, le programme transcriptionnel activé par HIF tend à mettre en adéquation la consom mation d’oxygène par la cellule avec la baisse de son approvision- nement. Pour ce faire, HIF augmente l’expression des gènes impliqués dans le transport du glucose et les enzymes de la glycolyse. Parallèlement, dans la mitochondrie, HIF inhibe fortement le cycle de Krebs et les phosphorylations oxydatives. Cette inhibition du cycle de Krebs permet de limiter la toxicité cellulaire en diminuant la production mitochondriale de radicaux libres ( Reactive Oxygen Species [ROS]) induite par une respiration inef- fi cace. En parallèle, la composition de la cytochrome oxydase (COX) est modifi ée dans les cellules hypoxiques en raison d’une augmentation de l’expression de la sous- unité COX4-2, ce qui optimise l’activité de COX dans des conditions hypoxiques, et d’une dégradation accrue de la sous-unité COX4-1, ce qui optimise l’activité de la COX dans des conditions aérobies. Enfi n, HIF réoriente une partie du métabolisme de la glutamine vers la production de citrate dans le cycle de Krebs qui, après transformation en acétyl-coA dans le cytoplasme, est utilisé par la cellule cancéreuse pour son anabolisme (10) .

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N. Mazure déclare ne pas avoir de liens d’intérêts.

S. Clavel n’a pas précisé ses éventuels liens d’intérêts.

1. Brahimi-Horn MC, Laferrière J, Mazure N, Pouysségur J. Hypoxia and tumour angiogenesis.

In: Marmé D, Fusenig N, eds. Tumor angiogenesis. Berlin: Springer, 2007:171-94.

2. Semenza GL, Shimoda LA, Prabhakar NR. Regulation of gene expression by HIF-1. Novartis

Found Symp 2006;272:2-8.

3. Brahimi-Horn MC, Pouyssegur J. HIF at a glance. J Cell Sci 2009;122(Pt 8):1055-7.

4. Hirota K, Semenza GL. Regulation of angiogenesis by hypoxia-inducible factor 1. Crit Rev

Oncol Hematol 2006;59(1):15-26.

5. Warburg O. On the origin of cancer cells. Science 1956;123(3191):309-14.

6. Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Understanding the Warburg eff ect: the meta-

bolic requirements of cell proliferation. Science 2009;324(5930):1029-33.

7. Wallace DC. Mitochondria and cancer. Nat Rev Cancer 2012;12(10):685-98.

8. Zong WX, Rabinowitz JD, White E. Mitochondria and Cancer. Mol Cell 2016;61(5):667-76.

9. Bhola PD, Letai A. Mitochondria-judges and executioners of cell death sentences. Mol Cell

2016;61(5):695-704.

10. Semenza GL. HIF-1: upstream and downstream of cancer metabolism. Curr Opin Genet

Dev 2010;20(1):51-6.

11. Schönenberger MJ, Kovacs WJ. Hypoxia signaling pathways: modulators of oxygen-related

organelles. Front Cell Dev Biol 2015;3:42.

R é f é r e n c e s

Biogenèse mitochondriale

Un aspect important de l’adaptation de la cellule à l’hypoxie est le remodelage mitochondrial. En eff et, l’hypoxie induit un arrêt de la biogenèse mitochondriale et une diminution de la masse mitochondriale qui contribuent à la baisse de la consommation d’o xygène . La biogenèse mitochondriale nécessite l’expression coordonnée de protéines produites par le génome mitochondrial et le génome nucléaire. Le facteur de transcription PGC-1 (Peroxysome proliferator-activated receptor Gamma Coactivator 1) α et β est considéré comme le facteur régulateur de la biogenèse mitochondriale et de la β-oxydation des acides gras. Dans les cancers, le facteur de transcription oncogénique Myc induit la biogenèse mitochondriale via l’activation de PGC-1-β. L’activation de HIF-1, en favorisant la dégradation de Myc, provoque une diminution de la biogenèse mitochondriale et une inhibition de la β-oxydation mitochondriale, contribuant ainsi à l’eff et Warburg (11) .

Mitophagie

Un aspect important de la physiologie mitochondriale est l’élimination sélective des mitochondries défec- tueuses ou endommagées par des stress. Ce processus, appelé mitophagie, agit de concert avec la biogenèse mitochondriale afi n de réguler la masse mitochondriale et son fonctionnement. Le signal “mange-moi” envoyé à la machinerie mitophagique est déclenché par la dépo- larisation de la MOM. Cette dépolarisation entraîne l’activation de la kinase PINK1 qui conduit à l’accumulation de l’E3 ligase PARKIN sur la MOM. PARKIN ubiquitine des protéines mitochondriales qui vont recruter la machinerie autophagique. Les mitochondries ciblées seront ensuite dégradées par les lysosomes. Parallèlement,

une mitophagie indépendante de PARKIN a été mise en évidence. Elle fait intervenir une reconnaissance directe entre des protéines mitochondriales “récepteurs” loca- lisées sur la MOM, et la protéine LC3 caractéristique du système autophagique. À ce jour, 4 protéines récepteurs ont été identifi ées : BNIP3 (BCL2/Adenovirus E1B 19kDa Interacting Protein 3) , BNIP3L (ou NIX) [BCL2/Adenovirus E1B 19kDa Interacting Protein 3-like] , FUNDC1 (FUN14 Domain Containing 1) et BCL2L13. BNIP3 et NIX sont des cibles de HIF-1 activées en réponse à l’hypoxie, et FUNDC1 est impliqué dans la mitophagie induite par l’hypoxie. Bien qu’un lien direct entre mitophagie et tumorigenèse n’ait, pour l’instant, pas été démontré, il est raisonnable de penser que certains processus de “contrôle qualité” des mitochondries puissent être impliqués dans le développement du cancer (11) .

Conclusion

Ainsi, les mitochondries fonctionnent comme des sentinelles cellulaires surveillant en permanence les conditions de la cellule. Elles peuvent alors moduler fi nement leur activité métabolique afi n de décider du sort fi nal de la cellule, vers une vie de dérégulation et de prolifération excessive ou une mort inexorable.

Cibler ces mêmes mitochondries, lors de traitements anticancéreux, pourrait donc s’avérer bénéfi que pour le patient. Ainsi, comprendre le comportement de la mitochondrie de la cellule cancéreuse, en tant que point de convergence de nombreux processus cellulaires où la vie, la mort et l’énergie sont intimement imbriquées, devrait, sans aucun doute, apporter de nouvelles pistes de traitements thérapeutiques très

spécifi ques et exclusifs. ■