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L'oxaloacétate peut-il traverser la membrane mitochondriale externe ?


Je connais la navette Malate-Aspartate, mais quelque chose n'est pas clair pour moi et différentes sources semblent se contredire. Certains montrent que l'oxaloacétate (OAA) est réduit en malate dans l'espace intermembranaire mitochondrial (IMS), tandis que d'autres montrent la réduction qui se produit dans le cytosol.

Où se produit la réduction OAA → malate ? c'est-à-dire que l'OAA peut traverser la membrane mitochondriale externe (du cytosol dans l'IMS) afin qu'elle puisse être réduite dans l'IMS, ou doit-elle être réduite dans le cytosol avant de traverser l'une des deux membranes mitochondriales ?


En général, on pense que la membrane mitochondriale externe est fondamentalement perméable (à travers les porines) aux petites molécules telles que l'OAA. Comme c'est typique en biologie, la situation peut en fait être plus complexe -- voir par exemple cet article. Mais je pense que l'hypothèse par défaut est que les métabolites traversent librement la membrane externe mitochondriale.

Vous pouvez également demander si l'enzyme MDH mitochondriale ou l'enzyme MDH cytoplasmique est susceptible d'être trouvée ou d'être active à l'intérieur de l'espace intermembranaire.


L'oxaloacétate (OAA) ne peut pas traverser la membrane mitochondriale interne.

Le processus de phosphorylation oxydative et le système de transport d'électrons (ETS) se produisent dans la mitochondrie, tandis que le $ce{NADH}$ généré par la réduction de $ce{NAD+}$ dans la glycolyse se trouve dans le cytoplasme. Le problème est que la membrane mitochondriale interne n'est pas perméable à $ce{NADH}$ , donc un système de navette est nécessaire pour le transport des équivalents réducteurs à travers la membrane mitochondriale. Il y en a deux, dont la navette « Malate-Aspertate ».

Dans le processus (voir ci-dessus) l'oxaloacétate (OAA) absorbe les équivalents réducteurs de $ce{NADH}$ pour former du malate dans une réaction catalysée par la malate déshydrogénase. La membrane mitochondriale interne est perméable au malate, qui passe à travers les protéines porteuses (Malate-$alpha$-ketogluterate transporter) dans la matrice mitochondriale où il est reconverti en OAA. Lorsque cela se produit, la concentration d'OAA diminue dans l'espace intermembranaire et, comme l'OAA ne peut pas traverser directement la membrane mitochondriale interne, elle est convertie en aspartate dans la matrice mitochondriale en réagissant avec le glutamate pour produire du $alpha$-cétoglutarate et de l'aspartate. L'aspartate se rend ensuite dans l'espace intermembranaire à travers des transporteurs spécifiques (Glutamate-aspartate Transporter). Dans l'espace intermembranaire, l'aspartate se combine avec le $alpha$-ketoglutarate pour former du glutamate et de l'OAA (l'inverse de ce qui s'est passé dans la matrice mitochondriale). Ainsi, la concentration en OAA est maintenue dans l'espace intermembranaire et la réaction se poursuit.

Conclusion

L'OAA est converti en malate dans l'espace intermembranaire. Dans la matrice mitochondriale, le malate est reconverti en OAA, comme illustré dans l'illustration ci-dessous.

Source de l'image : Navette Malate-Aspartate, Wikipédia


Mitochondries—hubs de régulation de la biochimie cellulaire : concepts et réseaux émergents

Les mitochondries sont des structures emblématiques de la biochimie et de la biologie cellulaire, traditionnellement désignées comme la centrale électrique de la cellule en raison de son rôle central dans la production d'énergie. Cependant, les mitochondries modernes sont reconnues comme des acteurs clés de la biologie cellulaire eucaryote et sont connues pour réguler des processus cellulaires cruciaux, notamment la signalisation du calcium, le métabolisme cellulaire et la mort cellulaire, pour n'en nommer que quelques-uns. Dans cette revue, nous discuterons des connaissances fondamentales en biologie mitochondriale et fournirons des instantanés des progrès récents qui montrent comment la fonction mitochondriale régule d'autres réponses cellulaires.

1. Introduction

On pense que tous les eucaryotes modernes sont issus d'un ancêtre primordial qui a englouti une -protobactérie dotée de la capacité de respiration [1]. Cet événement a donné naissance aux mitochondries modernes, un événement qui est maintenant profondément intégré dans l'homéostasie et la survie des cellules eucaryotes. Les mitochondries sont des réseaux dynamiques capables de remodeler leur morphologie et leur activité. Ils fournissent de l'énergie et des biomolécules à la cellule, en plus de contribuer aux voies du stress cellulaire, aux réponses immunitaires, à la signalisation intra- et intercellulaire, au contrôle du cycle cellulaire et à la mort cellulaire. La biologie unique des mitochondries sous-tend leur influence sur la cellule et la capacité de calibrer leur structure et leur protéome est un moyen efficace d'adapter leur fonction. En tant que tel, nous commencerons par un bref aperçu de trois concepts fondamentaux de la biologie mitochondriale : (i) l'ultrastructure mitochondriale (ii) l'importation de protéines mitochondriales et (iii) la dynamique mitochondriale. Cela éclairera la discussion ultérieure sur les mitochondries en tant qu'acteurs clés dans des rôles larges et divers, y compris le métabolisme, la transduction du signal, l'immunité, le cycle cellulaire, la différenciation cellulaire, la mort cellulaire et le stress.

2. Ultrastructure mitochondriale, dynamique et importation de protéines

2.1. Ultrastructure mitochondriale

Les mitochondries ont une double membrane qui définit quatre compartiments : la membrane externe, l'espace intermembranaire, la membrane interne et la matrice. L'architecture de la membrane interne est malléable et typiquement alambiquée en invaginations repliées, appelées crêtes, qui dictent l'arrangement spatial des protéines [2]. Le remodelage de la structure des crêtes des crêtes peut également modifier le flux enzymatique entre les compartiments, ce qui est cohérent avec les diverses structures des crêtes observées à travers les types de cellules avec des exigences métaboliques différentes [2]. Le complexe MICOS récemment décrit (site de contact mitochondrial et système d'organisation des crêtes) est nécessaire pour maintenir la morphologie des crêtes [3] (figure 1). La perte de l'assemblage MICOS entraîne l'ablation des jonctions des crêtes et manifeste de graves défauts du métabolisme énergétique, de la manipulation du calcium et du trafic lipidique [4]. Cependant, on ne sait toujours pas comment MICOS est régulé par les conditions cellulaires pour produire diverses morphologies de crêtes. Fait intéressant, la perturbation de MICOS modifie l'activité et/ou l'abondance des protéines de morphologie mitochondriale [5,6]. Les perturbations de la fonction des organites ont longtemps été associées à des changements morphologiques bruts dans le réseau mitochondrial, donc la réorganisation des crêtes par l'assemblage/désassemblage MICOS peut être un intermédiaire entre la fonction et la dynamique. Les associations récemment identifiées entre MICOS et les complexes d'importation de protéines indiquent la large influence de MICOS sur la fonction mitochondriale [7,8].

Figure 1. Les protéines mitochondriales codées dans le noyau sont importées par des translocases multi-sous-unités. Les protéines mitochondriales synthétisées dans le cytosol sont importées dans les mitochondries après la traduction. Le complexe TOM au niveau de la membrane externe sert de porte d'entrée générale des protéines. hTom40 forme le pore de la translocase, tandis que hTom20, hTom22 et hTom70 fonctionnent comme des récepteurs. hTom22 joue un rôle supplémentaire dans l'assemblage du complexe. hTom5, hTom6 et hTom7, appelés collectivement les petits TOM, régulent la dynamique et l'assemblage du complexe. Le complexe TIM22 au niveau de la membrane interne médie l'importation de protéines transmembranaires à passages multiples dans la membrane interne. hTim22 forme le pore à travers lequel les protéines sont insérées, tandis que AGK et hTim29 fonctionnent comme des récepteurs et dans un assemblage complexe. Le complexe TIM23 peut transférer des protéines précurseurs dans la matrice ou la membrane interne. hTim23 et hTim17 forment le pore du canal et hTim50 fonctionne comme un récepteur pour les précurseurs. Le complexe central s'associe à un moteur d'importation qui aide à transférer les protéines dans la matrice d'une manière dépendante de l'ATP. Le complexe MIA médie l'importation de protéines spatiales intermembranaires solubles en catalysant la formation de liaisons disulfure. hMia40 effectue la formation de liaisons disulfure et est ancré à la membrane interne par une interaction avec l'AIF. ALR supprime les électrons de hMia40 afin qu'il puisse subir d'autres cycles de catalyse. Le complexe SAM de la membrane externe médie l'insertion de protéines -baril dans la membrane externe. hSam50 s'associe avec MTX1 et MTX2. Cristae, les grandes invaginations de la membrane mitochondriale interne, sont stabilisées par un complexe multi-sous-unité appelé MICOS. Mic60 est la sous-unité centrale de MICOS, qui contient en outre Mic10, Mic13, Mic14, Mic19, Mic25, Mic26 et Mic27. MICOS s'associe également au complexe SAM au niveau de la membrane externe pour former une structure connue sous le nom de complexe de pontage d'espace intermembranaire mitochondrial (MIB).

(Lectures complémentaires recommandées sur les crêtes, les MICOS et l'ultrastructure : [2,9,10].)

2.2. Importation de protéines mitochondriales

De leurs origines endosymbiotiques, les mitochondries humaines n'ont conservé que 37 gènes dans un petit génome circulaire appelé ADN mitochondrial (mtDNA), qui code 13 polypeptides, 22 ARNt et 2 ARNr. Les 1 000 à 1 500 protéines mitochondriales restantes sont codées dans le noyau et doivent être importées et triées dans le compartiment mitochondrial approprié après la synthèse dans le cytosol. Fondamentalement, l'importation de protéines mitochondriales est médiée par des complexes protéiques multimères appelés translocases, qui sont situés au niveau des mitochondries (figure 1). En bref, deux translocases majeures résident dans la membrane externe des mitochondries : la translocase du complexe de la membrane externe (TOM) et les machines de tri et d'assemblage (SAM). Le complexe TOM est le point de contact initial pour presque tous les précurseurs mitochondriaux et fournit un moyen d'entrée dans l'organite. Après la translocation via TOM, les voies d'importation des précurseurs divergent en fonction de leurs informations de ciblage et de leur emplacement ultime dans l'organite. Les protéines -baril de la membrane externe sont triées dans le complexe SAM pour intégration dans la membrane. Il existe deux translocases incrustées dans la membrane interne des mitochondries : les complexes Translocase of the Inner Membrane (TIM) 22 et 23 (TIM22 et TIM23). TIM22 médie l'insertion de protéines membranaires polytopiques non clivables dans la membrane interne, tandis que le complexe TIM23 est responsable de l'importation de précurseurs à travers la membrane interne dans la matrice ou, dans certains cas, peut libérer latéralement des précurseurs transmembranaires dans la membrane interne. Enfin, la machinerie Mitochondrial Intermembrane space Assembly (MIA) médie l'importation de petites protéines spatiales intermembranaires riches en cystéine et couple leur importation à leur oxydation [11]. Ces voies et machines d'importation ont été principalement caractérisées chez les organismes fongiques. Cependant, ces dernières années, l'analyse chez les eucaryotes supérieurs a révélé d'importantes conséquences physiologiques dues à des perturbations de l'importation de protéines. Plus précisément, des mutations dans les gènes codant pour les sous-unités d'importation de protéines provoquent des maladies mitochondriales distinctes avec des phénotypes allant de défauts musculaires graves à la neurodégénérescence et aux défauts de croissance congénitaux [12].

(Lectures supplémentaires recommandées sur l'importation de protéines mitochondriales : [13–15].)

2.3. Dynamique mitochondriale : sites de fission, de fusion et de contact des organites

En tant que réseau organellaire, les mitochondries subissent une fission et une fusion pour se répliquer, être recyclées et altérer leur bioénergétique. La fusion de la membrane externe est médiée par des interactions homotypiques entre les GTPases Mfn1 et Mfn2 sur les mitochondries adjacentes (figure 2) [16], mais les domaines impliqués et le mécanisme de fusion par étapes sont encore débattus. La fusion de la membrane interne est contrôlée par Opa1, qui existe sous forme de cinq isoformes générées par l'épissage de l'ARNm et le clivage protéolytique (figure 2) [17]. On pense que la stoechiométrie de ces isoformes régit les interactions Opa1 avec la cardiolipine lipidique spécifique des mitochondries et, par la suite, les événements de fusion [18]. La fusion mitochondriale est associée à une augmentation de la production d'ATP par phosphorylation oxydative et protège contre le stress oxydatif et protéostatique [19]. Inversement, la fission mitochondriale est concomitante à une dépendance à la glycolyse et précède le renouvellement mitochondrial. La fission est largement dépendante de la protéine Drp1 liée à la dynamine et cytosolique, qui oligomérise autour et resserre les tubules mitochondriaux (figure 2). Le recrutement de Drp1 à partir du cytosol nécessite des protéines adaptatrices sur la membrane externe mitochondriale, notamment Mff, Mid49 et Mid51 [20,21], bien que la Fis1 humaine puisse favoriser la fragmentation mitochondriale indépendante de Drp1 en inhibant les protéines de fusion [22] (figure 2) . Bien que des modèles contradictoires de recrutement de Drp1 aient été proposés, sa localisation et son activité sont connues pour être régulées par de nombreuses modifications post-traductionnelles [23]. La capacité de scission des oligomères Drp1 est stériquement limitée aux tubules jusqu'à 250 nm de diamètre, indiquant qu'une pré-constriction est nécessaire pour les mitochondries plus grandes [24]. Ceci est réalisé par le réticulum endoplasmique (RE), qui enveloppe et resserre les tubules pour marquer les futurs sites de fission et aider à une partition correcte du contenu mitochondrial [25,26].

Figure 2. Machineries cellulaires médiant la fission mitochondriale, la fusion et la formation de sites de contact avec le réticulum endoplasmique. Les mitochondries subissent continuellement la fission et la fusion. La fission est médiée par la GTPase Drp1, qui peut être recrutée dans la membrane mitochondriale externe par une variété de récepteurs, notamment Mff, Fis1, Mid49 et Mid51. Drp1 à la membrane externe peut oligomériser en fibrilles qui resserrent les mitochondries pour initier la fission. La fusion mitochondriale est initiée par l'attache des mitochondries par le biais d'interactions homotypiques entre Mfn1 et Mfn2 sur des mitochondries opposées. La fusion de la membrane interne est médiée par l'OPA1, qui existe sous forme de formes longues et courtes générées par protéolyse. Les sites de contact entre les mitochondries et le réticulum endoplasmique (RE) sont établis et maintenus par des interactions protéine-protéine. Des interactions se produisent entre les molécules Mfn2 sur la membrane du RE et la membrane mitochondriale externe, et entre VAPB sur la membrane du RE et RMDN3 sur la membrane externe mitochondriale. Des interactions se produisent également entre IP3R3, un canal calcique sur la membrane du RE, et VDAC1 et hTom70 sur la membrane externe mitochondriale.

Les mitochondries s'engagent également dans des contacts inter-organites dynamiques étendus qui coordonnent les échanges fonctionnels entre les mitochondries et d'autres composants cellulaires [27]. En particulier, les sites de contact ER-mitochondries (ERMC) facilitent une multitude de fonctions, notamment la fission mitochondriale, la biosynthèse de la coenzyme Q, le transfert de lipides, le transfert de Ca 2+, la réplication de l'ADNmt et l'autophagie [25,26,28-31]. La structure de rencontre RE-mitochondries (ERMES) a été bien caractérisée dans Saccharomyces cerevisiae [32], cependant aucun équivalent humain n'a été identifié [33]. Des travaux préliminaires chez l'homme suggèrent que les ERMC métazoaires sont liés par des interactions entre hTom70 et IP3R3, VDAC1 et IP3R3, RMDN3 et VAPB, les homodimères Mfn2, Vps13a et Pdzd8 avec un partenaire inconnu (figure 2) [34-39]. De plus, des « pistes » de microtubules acétylés ont été proposées pour maintenir ces contacts malgré les mouvements et le remodelage des deux réseaux organellaires [40]. D'autres contacts inter-organites ont été décrits entre les mitochondries et l'appareil de Golgi [27,41], les peroxysomes [42], les lysosomes [43], les gouttelettes lipidiques [44] et la membrane plasmique [45]. L'interconnectivité des mitochondries avec les composants cellulaires permet une interaction significative entre diverses voies, dont nous mettrons en évidence des exemples tout au long de cette revue (tableau 1).

Tableau 1. Noms complets et identifiants des protéines discutées dans cette revue.

(Lectures complémentaires recommandées sur la dynamique mitochondriale : [46-48] sur les contacts des organites : [49-51].)

3. Mitochondries et métabolisme

Les mitochondries sont bien connues pour fournir de l'énergie à la cellule, principalement en couplant le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) avec la phosphorylation oxydative. Le cycle du TCA est une série de huit réactions enzymatiques qui se produisent dans la matrice pour récolter les électrons du citrate et de ses intermédiaires cataboliques (figure 3une). L'entrée typique du cycle est l'acétyl-CoA, qui peut être produit à partir du glucose (via la glycolyse), des acides gras (via la β-oxydation) et des acides aminés (via la désamination) (figure 3une). Les électrons piégés tout au long du cycle sont transférés par NADH et FADH2 aux complexes de la chaîne de transport d'électrons. Les complexes I-IV de la chaîne de transport d'électrons font la navette des électrons, utilisant leur énergie pour pomper des protons dans l'espace intermembranaire et établir un gradient électrochimique à travers la membrane interne. Le complexe V (ATP synthase) libère les protons dans la matrice, en utilisant l'énergie du gradient électrochimique pour produire de l'ATP, la monnaie énergétique de la cellule (figure 3une) [52]. Bien que normalement efficace, la phosphorylation oxydative est régulée négativement par l'accumulation de son sous-produit toxique, les espèces réactives de l'oxygène (ROS). Si elles ne sont pas contrôlées, les ROS peuvent endommager les mitochondries, induire l'agrégation des protéines et introduire des mutations dans l'ADN [53-55]. Des progrès récents en microscopie cryoélectronique ont révélé que les complexes I, III et IV peuvent s'assembler pour former des supercomplexes censés réduire la quantité de ROS produite pendant le transport des électrons, ainsi qu'améliorer les taux de respiration [56].

Figure 3. Les mitochondries coordonnent les processus métaboliques essentiels. (une) Les mitochondries sont surtout connues pour abriter la machinerie protéique nécessaire à la génération d'ATP. Lorsque l'oxygène est disponible, la plupart des cellules génèrent de l'ATP par phosphorylation oxydative, où les électrons récoltés lors de réactions cataboliques sont utilisés pour alimenter l'ATP synthase. Les électrons sont obtenus par le cycle du TCA, qui se produit dans la matrice et consiste en huit réactions enzymatiques. L'acétyl-CoA est le principal intrant du cycle du TCA et peut être obtenu par le métabolisme du glucose, des acides gras et des acides aminés. Les électrons extraits au cours du cycle TCA sont chargés sur NAD + et FAD 2+ . Les électrons sont ensuite transférés de NADH et FADH2 sur les complexes I et II de la chaîne de transport d'électrons. Les électrons traversent les complexes III et IV, qui transportent les protons dans l'espace intermembranaire. Les protons peuvent retourner dans la matrice par l'ATP synthase (Complexe V), qui utilise l'énergie du gradient de protons pour convertir l'ADP en ATP. (b) Le métabolisme mitochondrial à un carbone (1C) comprend une série de réactions parallèles et réversibles qui se produisent dans le cytosol et la matrice mitochondriale. Dans les cellules en prolifération, la réaction se déroule normalement dans une direction spécifique, de sorte que le formiate produit dans les mitochondries peut être utilisé pour les processus de biosynthèse dans le cytosol. Dans les mitochondries, le THF et la sérine importés du cytosol sont sollicités séquentiellement par SHMT2, MTHFD2 et MTHFD1 L pour produire du formiate, qui est réexporté dans le cytosol. Le MTHFD1 cytosolique charge le formate sur le THF pour former des intermédiaires folates chargés qui peuvent être utilisés pour synthétiser des nucléotides puriques et pyrimidiques.Le métabolisme mitochondrial 1C est également une source importante de glycine. (c) La matrice mitochondriale fonctionne comme un site de stockage important pour les ions calcium. L'absorption du calcium mitochondrial se produit souvent aux sites de contact du RE, où de grands volumes de Ca 2+ peuvent être libérés par IP3R3. Le calcium peut traverser librement la membrane externe via les canaux VDAC et est transporté à travers l'espace intermembranaire et la membrane interne via la fonction coordonnée d'un dimère MICU1/MICU2 s'amarrant au MCU dans la membrane interne. Le calcium peut sortir de la matrice mitochondriale via LETM1 ou SLC8B1 (en échange de H + ou Na + , respectivement) et peut traverser la membrane externe via les VDAC ou NCX3.

Les mitochondries produisent également des acides gras, des acides aminés, des nucléotides et des groupes hème pour la cellule par des voies de biosynthèse [57-59]. L'un de ces processus, le métabolisme à un carbone (1C), produit de la glycine, de la méthionine, des nucléotides, de la phosphatidylcholine et des unités 1C (groupes de type méthyle) à partir du catabolisme de la sérine via la chimie redox du folate et de ses dérivés (figure 3b) [60]. Ces unités 1C chargent le donneur de méthyle universel S-adénosylméthionine nécessaire à la méthylation des protéines et de la chromatine [61]. Il existe maintenant des preuves significatives d'enzymes métaboliques et de métabolites altérant l'expression des gènes en tant que rapporteurs des conditions environnementales (disponibilité des nutriments, hypoxie, stress oxydatif) ou du dysfonctionnement mitochondrial. Cela a été démontré pour l'acétyl-CoA, les intermédiaires TCA, les cétones, le lactate, les acides gras et les acides aminés [62-68]. Des études émergentes indiquent également que la détection cellulaire des nutriments et de l'énergie par la kinase mTOR régule la biogenèse mitochondriale et la synthèse des protéines [69]. Grâce à des effecteurs en aval de la transcription et de la traduction, mTORC1 stimule la biogenèse mitochondriale et le métabolisme oxydatif pour répondre à la demande énergétique de l'anabolisme [70–72]. Fait intéressant, le suppresseur de tumeur p53 inhibe la croissance et la prolifération médiées par mTOR pour empêcher l'oncogenèse [73,74]. L'activité de p53 augmente l'efficacité de la chaîne de transport d'électrons [75], la stabilité de l'ADNmt [76,77] et réduit les niveaux de glutathion (GSH) [78] pour limiter la production de ROS ainsi qu'inhiber la glycolyse [79,80], ce qui contribue au potentiel de réplication de cellules tumorales [79,81,82]. Ainsi, le métabolisme est intimement intégré à d'autres voies cellulaires, mais n'est pas la seule contribution des mitochondries aux mécanismes de signalisation.

(Lectures complémentaires recommandées sur le métabolisme : [60,83] sur la signalisation des métabolites : [68,84] sur mTOR/p53 : [85,86].)

4. Signalisation

4.1. Les mitochondries contrôlent l'homéostasie du calcium

Les ions calcium sont communs à diverses voies de signalisation. La membrane mitochondriale externe est perméable au Ca 2+ , en partie à cause des protéines VDAC formant des canaux [87] et exportée via SLC8A3 [88]. Le complexe uniporteur de calcium de la membrane interne mitochondriale (MCU) régule le transport dans la matrice (figure 3c). La perméabilité du complexe MCU est calibrée par deux sous-unités régulatrices, MICU1 et MICU2, qui sont liées par une liaison disulfure intermoléculaire introduite par hMia40 [89,90]. La capacité des mitochondries à accumuler du Ca 2+ jusqu'à des concentrations 20 fois plus élevées que le cytosol leur permet de fonctionner comme des systèmes tampons et de rétablir l'homéostasie après les bouffées de Ca 2+ [91,92]. Les explosions de Ca 2+ dans le cytosol, à travers la membrane plasmique ou les réserves intracellulaires, peuvent initier la libération de neurotransmetteurs, la contraction des fibres musculaires et la régulation transcriptionnelle. Dans les neurones, la mise en mémoire tampon mitochondriale du Ca 2+ module à la fois la propension et la durée de la libération des neurotransmetteurs [93,94]. Dans le muscle cardiaque, la contraction est couplée à une production accrue d'ATP mitochondrial via des activités accrues de Ca 2+ des enzymes du cycle du TCA, du complexe V et du transporteur ADP/ATP [95-98] un effet maximisé par les concentrations locales de Ca 2+ au niveau des ERMC [29 ,99] (figure 3c). De plus, la régulation mitochondriale du Ca 2+ influence la sécrétion d'hormones [100], la régénération tissulaire [101] et la signalisation de l'interféron-β via la protéine de signalisation antivirale mitochondriale, MAVS [102].

(Lectures complémentaires recommandées sur la signalisation mitochondriale du Ca 2+ : [92, 103, 104].)

4.2. Rôles des mitochondries dans les réponses immunitaires

La contribution des mitochondries aux réponses immunitaires est un domaine de recherche en pleine croissance. La signalisation immunitaire cellulaire autonome est pilotée par le MAVS au niveau de la membrane externe, qui agit comme un point relais pour la transduction du signal immunitaire. Les récepteurs de type rig dans le cytosol subissent des changements de conformation lors de la détection de l'ARN ou de l'ADN viral et sont recrutés dans le MAVS, en particulier dans les ERMC [105]. MAVS se dimérise ensuite pour permettre la liaison de plusieurs adaptateurs de signalisation en aval, y compris TRADD, TRAF3 et STING pour activer la transcription NF-κB et IRF-3/7 des interleukines et des cytokines pro-inflammatoires [106–108] (figure 4une). Fait intéressant, les dimères de MAVS et plusieurs de ses adaptateurs co-immunoprécipitent avec hTom70 du complexe TOM, dont la surexpression augmente la réponse de signalisation [109]. La signalisation MAVS est également affectée par ROS et régulée négativement par Nlrx1, un partenaire de liaison du Complexe III et MAVS [110,111] (figure 4une). Comme l'importation de protéines mitochondriales et le métabolisme oxydatif peuvent être détournés par des facteurs de virulence [112], ces interactions peuvent rendre MAVS sensible aux conséquences de l'infection. Enfin, si les mitochondries sont compromises par l'infection, l'augmentation des ROS et la libération d'ADNmt dans le cytosol peuvent activer l'inflammasome NLRP3 pour provoquer une réponse inflammatoire [113,114] (figure 4une).

Figure 4. Les mitochondries apportent des contributions cruciales à divers processus cellulaires. (une) La membrane externe mitochondriale est le site d'événements de signalisation importants au cours de la réponse immunitaire innée. La détection des acides nucléiques viraux par les récepteurs de type Rig (RLR) induit la dimérisation de MAVS, une protéine de la membrane externe mitochondriale. Le MAVS dimérisé recrute des adaptateurs de signalisation qui initient l'activation en aval d'IRF3/7 et de NF-κB, des facteurs de transcription qui induisent l'expression d'interférons de type I et de cytokines pro-inflammatoires. Le MAVS est régulé par NLRX1, une protéine qui régule à la baisse le MAVS lorsqu'il est localisé à la membrane externe, mais active le MAVS lorsqu'il se trouve au niveau de la membrane interne en interagissant avec le Complexe III pour induire la production de ROS. La libération d'ADNmt pendant l'infection peut également activer l'inflammasome NLRP3. (b) La mitophagie est un processus qui permet d'identifier et de détruire les mitochondries endommagées. Dans des conditions normales, PINK1 est importé dans les mitochondries et dégradé par PARL. Lorsque les mitochondries sont endommagées, l'importation est altérée et PINK1 s'accumule dans le complexe TOM au niveau de la membrane externe. PINK1 autophosphorylé et actif au niveau de la membrane externe phosphoryle les molécules de monoubiquitine sur les protéines de la membrane externe, recrutant et activant l'ubiquitine ligase E3 Parkin. La Parkine activée synthétise des chaînes de polyubiquitine qui recrutent des récepteurs d'autophagie pour initier la mitophagie. (c) Le stress protéostatique mitochondrial est détecté par le partage du facteur de transcription ATF5 entre les mitochondries et le noyau. Dans des conditions normales, l'ATF5 est importé et séquestré dans les mitochondries. Si l'importation de protéines mitochondriales est compromise, l'ATF5 est acheminé vers le noyau, où il régule à la hausse l'expression des gènes qui améliorent la protéostase. () Les mitochondries jouent un rôle crucial dans l'initiation de l'apoptose. En réponse à des stimuli pro-apoptotiques, Bax et Bak oligomérisent dans la membrane externe pour former des pores qui permettent l'efflux de protéines apoptogéniques (Cytochrome c, Diablo, AIF et Endonucléase G) de l'espace intermembranaire dans le cytosol. Cytochrome c se lie à Apaf-1 pour induire la formation de l'apotosome et l'activation des caspases. Diablo bloque les inhibiteurs de l'apoptose (IAP) qui, autrement, atténueraient l'effet des caspases. L'AIF et l'endonucléase G sont transloqués dans le noyau où ils contribuent à la destruction du génome.

Le métabolisme mitochondrial dirige également des changements rapides vers les cellules immunitaires spécialisées pendant l'infection. Les modifications du potentiel membranaire peuvent activer ou supprimer les macrophages M2 [115,116] et les macrophages M1 dérivent les intermédiaires du cycle du TCA pour générer du protoxyde d'azote, de l'IL-1β et l'acide itaconique antibactérien [117,118]. De plus, les capacités phagocytaires des macrophages dépendent de la production mitochondriale de ROS pour détruire les agents pathogènes intériorisés [119]. Les cellules T naïves présentent des augmentations de la masse mitochondriale, du nombre de copies d'ADNmt, de la glycolyse et du métabolisme de la glutamine pendant la différenciation pour une prolifération rapide et pour échapper à la quiescence [120,121]. Le remodelage métabolique décide alors également du devenir mature des lymphocytes T [122,123], en modifiant l'architecture des crêtes [124] ou par effet direct des métabolites sur la régulation épigénétique de la transcription [125].

(Lectures complémentaires recommandées sur la signalisation immunitaire mitochondriale : [106,118,126].)

5. Cycle cellulaire, différenciation et mort

Les mitochondries sont implicitement liées au contrôle du cycle cellulaire en tant que fournisseurs d'énergie et de nucléotides, mais elles coordonnent également les points de contrôle et répondent aux signaux de prolifération. Pour répondre à la demande métabolique de la mitose, la masse mitochondriale et le potentiel membranaire augmentent de G1/S jusqu'au stade mitotique tardif [127]. En effet, l'hyperpolarisation et l'augmentation de la production d'ATP inhibent l'AMP kinase pour permettre l'entrée médiée par la cyclineE en phase S [128]. À la fin du stade G2 de division S. cerevisiae, le complexe cyclinB1/Cdk1 se dirige vers les mitochondries pour phosphoryler les sous-unités du complexe I et Tom6, stimulant le métabolisme oxydatif à la fois directement et indirectement via une importation accrue de protéines [129,130]. Au cours de la mitose, un réseau mitochondrial hautement fusionné et réticulaire se fragmente progressivement en petits organites tubulaires qui se séparent en prévision de la cytokinèse [127,131]. Les mitochondries peuvent également retarder la progression du cycle cellulaire pour augmenter leur biogenèse [132], en raison d'une production insuffisante de nucléotides [133], ou en raison de l'accumulation de ROS [134]. De plus, le médiateur de fusion Mfn2 peut séquestrer à la fois Ras et Raf pour inhiber la signalisation proliférative [135].

La différenciation des cellules souches repose également sur les mitochondries en tant que « commutateur métabolique ». Les cellules souches embryonnaires humaines sont glycolytiques cependant, elles développent des crêtes matures, répliquent rapidement l'ADNmt et augmentent la production d'ATP lors de la différenciation [136]. Dans la différenciation des cellules souches hématopoïétiques, la régulation négative de Pdk2, un inhibiteur de la pyruvate déshydrogénase, libère la suppression de la production d'acétyl-coA et permet une phosphorylation oxydative [137]. L'augmentation subséquente de la production de ROS et de la phosphorylation oxydative au cours de la différenciation entraîne une régulation à la hausse des protéines antioxydantes mitochondriales par les facteurs de transcription Oct4, Sox2 et Nanog [138]. On pense que la fusion mitochondriale facilite ces changements métaboliques, bien que l'importance de protéines spécifiques et de l'équilibre fission/fusion puisse être spécifique au type cellulaire [139-141]. Ceci est soutenu par des études de reprogrammation des cellules somatiques montrant que la suppression de Mfn2 permet la pluripotence car la glycolyse devient prédominante sur la phosphorylation oxydative [142] le même effet étant obtenu par l'activation du facteur de pluripotence ZFP42 de Drp1 [143].

Si les conditions cellulaires ou les agressions externes sont trop sévères, les mitochondries peuvent déclencher de multiples formes de mort cellulaire. L'apoptose, ou mort cellulaire programmée, peut être provoquée par une signalisation extrinsèque via les récepteurs Fas, TRAIL et TNFα ou par des agressions intrinsèques telles que des dommages à l'ADN, une surcharge en Ca 2+, un stress ROS et ER [144]. Les mitochondries contribuent à la voie extrinsèque mais sont le lien de la voie apoptotique intrinsèque. Dans cette dernière voie, Bax cytosolique pro-apoptotique s'oligomérise avec Bak au niveau de la membrane externe pour perméabiliser les mitochondries et libérer des protéines pro-apoptotiques, dont le cytochrome. c, Diablo, Htra2, Endonucléase G et AIF (figure 4) [145]. Dans le cytosol, le cytochrome c nuclée la formation de l'apotosome et l'activation des caspases qui démantèlent la cellule de manière immunologiquement silencieuse. Diablo cytosolique et Htra2 bloquent les inhibiteurs de l'activation des caspases, qui autrement protégeraient la cellule du cytochrome basal c fuite [146,147]. L'endonucléase G et l'AIF se translocation vers le noyau pour fragmenter l'ADN (figure 4), AIF nécessitant d'abord le clivage protéolytique de son domaine transmembranaire [148-150]. L'AIF fait normalement partie de la machinerie d'importation spatiale intermembranaire, ou complexe MIA, ancrant l'oxydoréductase hMia40 à la membrane interne. La protéine de la membrane externe VDAC2 protège contre l'apoptose en séquestrant Bak [151,152], mais de nouvelles preuves suggèrent qu'elle pourrait être nécessaire pour l'apoptose médiée par Bax [153]. Des recherches émergentes impliquent également les mitochondries dans des voies de mort cellulaire alternatives et moins étudiées telles que la nécrose induite par les ROS [154], la nécroptose activée par le système immunitaire [155], la ferroptose [156, 157] et la parthanotose [158].

(Lectures complémentaires recommandées sur les mitochondries dans le cycle cellulaire : [159,160] sur la différenciation [161-163] sur la mort cellulaire : [164,165].)

6. Contrôle qualité mitochondrial

La perte de la fonction mitochondriale a de profonds effets négatifs sur la santé cellulaire. Par conséquent, de multiples mécanismes de contrôle de la qualité et de réponse au stress ont évolué. La réponse protéique dépliée mitochondriale (mtUPR) détecte le stress protéostatique dans les mitochondries [166]. Au cœur du mtUPR se trouve le facteur de transcription ATF5. Lorsque le stress provoque une importation de protéines et/ou un dysfonctionnement de la chaîne de transport d'électrons, l'ATF5 s'accumule dans le noyau pour transcrire les chaperons mitochondriaux et les gènes de protéase (figure 4c) [167,168]. Les Caenorhabditis elegans Il a également été démontré que l'homologue ATFS-1 réprime la traduction de la sous-unité de la chaîne de transport d'électrons et des protéines d'assemblage des génomes mitochondriaux et nucléaires [169]. La traduction d'ATF5 est en partie contrôlée par son homologue ATF4, qui sont tous deux régulés positivement dans la réponse intégrée au stress (ISR) [170,171]. L'ISR peut être déclenchée par le stress du RE, la privation d'acides aminés ou la dégradation de hTim17A, une sous-unité du complexe TIM23 [172,173]. L'ISR est caractérisé par la phosphorylation de eIF2α, conduisant à une réduction globale de la traduction et à l'induction sélective de gènes cytoprotecteurs, y compris les protéines pro-survie MCL1 et autophagie. Cela illustre la préférence pour la clairance des organites défectueux par rapport à la mort cellulaire contrôlée, bien que la réponse puisse changer avec le type de cellule ou l'agression [174].

La clairance autophagique sélective des mitochondries est appelée mitophagie et est contrôlée par la sérine/thréonine protéine kinase mitochondriale PINK1 et l'ubiquitine ligase E3 Parkin. PINK1 est constitutivement importé dans les mitochondries saines par le complexe TOM et libéré latéralement dans la membrane interne par TIM23 [175] avant clivage par la protéase PARL (figure 4b) [176]. La dépolarisation de la membrane interne dans les mitochondries défectueuses empêche l'importation de PINK1, l'amenant à oligomériser au niveau du complexe TOM de la membrane externe [177], où il devient auto-phosphorylé [178]. Cela déclenche la phosphorylation phospho-PINK1 de la monoubiquitine de la membrane externe basale et recrute Parkin pour poly-ubiquitiner rapidement les protéines de la membrane externe pour le recrutement des facteurs d'autophagosome (figure 4b) [179,180]. Des données récentes suggèrent que les mitochondries peuvent identifier et initier la mitophagie de tubules spécifiques [181], tandis que la mitophagie induite par la phosphorylation CSNK2/CK2 de hTom22, FUNDC1 et BCL2L13 suggère une influence ou une voie cytoplasmique potentielle [182-185]. De plus, les observations de la mitophagie transcellulaire dans les astrocytes illustrent que beaucoup de choses sont encore inconnues dans ces processus [186].

De nouvelles réponses au stress émergent qui démontrent la communication réciproque entre les mitochondries et le cytoplasme. Ablation des voies d'importation MIA dans S. cerevisiae active le protéasome pour atténuer l'accumulation de précurseurs mitochondriaux dans le cytosol [187]. Ceci est en corrélation avec le mtUPR spécifique à l'espace intermembranaire des mammifères (mtUPRIMS) où l'activité transcriptionnelle d'ERRα régule positivement les protéases de l'espace intermembranaire et active le protéasome [188, 189] le protéasome étant précédemment montré pour dégrader les protéines de l'espace intermembranaire dépliées qui rétrotransloquent vers le cytosol [190]. Dans S. cerevisiae, le protéasome est également engagé par Ubx2 pour éliminer les précurseurs de protéines mitochondriales arrêtés lors de la translocation, bloquant le complexe TOM [191]. Réciproquement, les mitochondries peuvent dégrader les protéines défectueuses pour favoriser la protéostase cytosolique. Dans S. cerevisiae, le Vms1 cytosolique peut éliminer les précurseurs mitochondriaux mal traduits des ribosomes bloqués et diriger leur importation pour la dégradation intra-mitochondriale [192] et les protéines cytosoliques sujettes à l'agrégation peuvent être importées pour la dégradation intra-mitochondriale si les Hsp70 cytosoliques échouent [193]. Intriguant pour des recherches plus poussées sont des rapports de fusion lysosomale de vésicules dérivées de mitochondries enrichies en protéines oxydées non nativement [194,195] et le largage extracellulaire d'agrégats par les neurones de C. elegans [196].

(Lectures supplémentaires recommandées sur le contrôle de la qualité mitochondriale : [197-199] sur la mitophagie : [200, 201].)

7. Remarques finales

Cette revue illustre l'importance des mitochondries pour les fonctions cellulaires eucaryotes. En tant que biologistes mitochondriaux, nous sommes souvent surpris par de nouvelles voies ou réseaux de protéines qui impliquent des mitochondries et/ou des protéines mitochondriales. L'importation de protéines mitochondriales et la dynamique structurelle fournissent les moyens d'altérations rapides de l'activité pour faciliter les réponses biologiques aux molécules de signalisation, la disponibilité des nutriments et l'agression pathogène. La coordination temporelle de l'énergétique mitochondriale et de leur capacité de biosynthèse entraîne la prolifération et la différenciation cellulaire. Cependant, la biochimie très réactive compartimentée dans l'organite le rend capable d'induire la mort cellulaire et nécessite des mécanismes de contrôle qualité. Une compréhension de cette interaction entre les fonctions mitochondriales et leurs diverses implications cellulaires est donc essentielle à un modèle holistique complet d'homéostasie cellulaire et de biochimie. L'importance de ceci est évidente dans l'occurrence croissante des mitochondries dans la recherche médicale post-génomique [202]. Bien que les mitochondries soient indéniablement des plaques tournantes de la biochimie cellulaire, des recherches fondamentales supplémentaires sont nécessaires. En particulier, élucider comment la mitochondrie régule et intègre les différentes voies auxquelles elle est associée, dans des types de cellules/tissus spécialisés et dans le contexte de la santé et de la maladie, aidera à découvrir la véritable profondeur de l'influence de cet incroyable organite sur les cellules eucaryotes.


La phosphorylation oxydative

Mouvement des électrons du NADH cytoplasmique vers l'ETC mitochondrial

Les membranes mitochondriales intactes sont imperméable au NADH et au NAD + , et pour que la glycolyse continue, NAD + doit être continuellement régénéré dans le cytoplasme (voir chapitre 26 ).Par conséquent, les équivalents réducteurs (c'est-à-dire les électrons) du NADH, plutôt que le NADH lui-même, sont transportés à travers les membranes mitochondriales par malate (Mal) ou glycérol 3-phosphate ( 36-1 ), permettant ainsi la reformation cytoplasmique de NAD +, et pour NADH et/ou FADH2 utilisation dans l'ETC mitochondrial. Dans le Mal navette, en réduisant les équivalents de NADH sont acceptés par oxaloacétate (OAA), formant ainsi Mal qui traverse les membranes mitochondriales via un α-cétoglutarate (-KG = )-Mal antiporteur. Dans les mitochondries, NADH est régénéré de Mal, et OAA, qui ne peut pas non plus traverser les membranes mitochondriales, est renvoyé au cytoplasme via une conversion réversible en aspartate (Aspic voir chapitres 9 et 35). Les groupe amine de Aspic est transféré à -KG = dans le cytoplasme, formant ainsi glutamate (glu), qui est renvoyé aux mitochondries via un Antiporteur Asp-Glu. Dans les mitochondries, glu transfère ses groupe amine à OAA, réformant ainsi Aspic et terminer la navette.

Un autre vecteur d'équivalents réducteurs est glycérol 3-P, qui, comme Mal et Asp, traverse facilement les membranes mitochondriales. Cette Navette transfère des électrons de NADH à phosphate de dihydroxyacétone (DHAP), formant ainsi glycérol 3-P (et NAD + ) dans le cytoplasme. Glycérol 3-P traverse ensuite la membrane mitochondriale externe et est réoxydé en DHAP par le MODE groupe prothétique de la glycérol 3-P déshydrogénase. FADH2 est ainsi formé sur la membrane mitochondriale interne, et DHAP rediffuse dans le cytosol pour compléter la navette. Chez certaines espèces, l'activité de cette navette diminue après thyroïdectomie. Bien qu'il soit présent dans les muscles du vol des insectes, le cerveau, le tissu adipeux brun, le tissu musculaire blanc et le foie des mammifères, dans d'autres tissus (par exemple, le muscle cardiaque), les mitochondries glycérol 3-P déshydrogénase est déficient. On pense donc que le navette de malate est d'une utilité plus universelle que le navette glycérol 3-P, d'autant plus que 3 plutôt que 2 ATP peut être généré par atome de O2 consommé (voir ci-dessous).


2. Métabolisme compartimenté des acides aminés

2.1. Glutamine

Dans des conditions physiologiques, la glutamine est l'un des acides aminés les plus abondants en circulation [4,5]. L'apport de glutamine provient à la fois de sources alimentaires et de la synthèse de novo, cette dernière nécessitant du glutamate et de l'ammoniac et est catalysée par la glutamine synthétase (GS) dans le cytosol. L'activité de la GS est bien décrite dans le cerveau comme un moyen d'éliminer l'excès d'ammoniac par les astrocytes, et un métabolisme dysfonctionnel de l'ammoniac peut entraîner une encéphalopathie hépatique et un œdème cérébral [6,7]. Dans les cellules avec des taux de prolifération élevés (par exemple, les cellules cancéreuses, les lymphocytes T activés), la demande de glutamine l'emporte sur l'offre et l'accès à l'environnement devient « conditionnellement essentiel » [8,9,10,11,12]. Lorsque les nutriments deviennent localement limités, plusieurs cancers, y compris le pancréas, le glioblastome et l'ovaire, détournent la synthèse de glutamine stromale comme une ligne d'approvisionnement alternative pour répondre à leurs demandes accrues [13,14,15]. De plus, la privation de glutamine supprime l'expansion des lymphocytes T activés, et la compétition pour les nutriments dans les tissus peut affecter les réponses immunitaires aux états pathologiques qui présentent des augmentations caractéristiques de la consommation de nutriments (par exemple, infection virale, cancer) [10,16,17,18].

L'abondance de glutamine en circulation reflète sa polyvalence robuste pour satisfaire les exigences métaboliques au-delà de la traduction des protéines (Figure 1). La glutaminolyse représente l'une des principales voies cataboliques importantes pour la génération d'intermédiaires TCA, d'acides gras, d'équivalents réducteurs nécessaires à la phosphorylation oxydative et d'acides aminés non essentiels. La première étape de la glutaminolyse se produit dans les mitochondries et est catalysée par l'enzyme glutaminase (GLS), qui convertit la glutamine en glutamate. Il existe deux isozymes de GLS, le type rénal (GLS1) et le type hépatique (GLS2) [19]. Le glutamate produit par la mitochondrie remplit un certain nombre de rôles métaboliques directs et indirects. Par exemple, le glutamate peut être oxydé par l'enzyme NAD(P) + -dépendante glutamate déshydrogénase (GLUD1) ou apporter son azote aminé pour la synthèse des acides aminés non essentiels par les transaminases cytosoliques et/ou mitochondriales (par exemple, GOT1/2 pour l'aspartate , PSAT1 pour la sérine, GPT1/2 pour l'alanine). Le glutamate est également requis pour la synthèse du glutathion (GSH) et est utilisé comme épine dorsale pour la biosynthèse de la proline et de l'arginine. D'autre part, le catabolisme d'autres acides aminés (par exemple, la proline) s'est avéré dans plusieurs contextes être une source importante de glutamate. Pour fournir une flexibilité métabolique dans des conditions limitées en nutriments, les cellules cancéreuses du pancréas éliminent les peptides de collagène de la matrice extracellulaire et utilisent la proline comme source anaplérotique lorsque les niveaux de glutamine sont faibles [20]. De plus, le catabolisme de la proline par la proline déshydrogénase (PRODH) s'est également avéré être une source importante de glutamate dans la métastase des cellules cancéreuses du sein [21]. Dans d'autres contextes, la pyrroline 5-carboxylate réductase 1 mitochondriale (PYCR1) redirige l'excès de NADH mitochondrial et/ou de glutamate vers la synthèse de proline dans les cellules de gliome mutantes de l'isocitrate déshydrogénase 1 (IDH1), conduisant à un cycle TCA partiellement découplé qui permet aux cellules de réguler le NAD mitochondrial + /NADH [22].

Voies biochimiques et transporteurs impliquant la glutamine (Gln) et les intermédiaires apparentés. La glutamine est transportée par des transporteurs membranaires plasmiques (p. (CPS1), la phosphoribosyl pyrophosphate amidotransférase (PPAT) et la glutamine-fructose 6-phosphate aminotransférase (GFPT1). Les gradients de sodium (Na + ) et de chlorure (Cl − ) à travers la membrane plasmique déterminent la concentration intracellulaire de glutamine. La glutamine contribue directement à l'azote pour la biosynthèse des purines et des pyrimidines (marquées en rouge). La glutamine cytosolique peut également être transportée dans les mitochondries via une variante SLC1A5 ciblée sur les mitochondries (MTS) (MTS-SLC1A5 également appelée SLC1A5_var) où elle agit comme une source anaplérotique majeure pour le métabolisme du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) (‘glutaminolyse’) . La glutaminolyse est inhibée par le BPTES ou le CB-839, qui ciblent spécifiquement la glutaminase (GLS). Le glutamate dérivé de la glutamine est une source importante de carbone et d'azote pour la synthèse des acides aminés non essentiels. αKG, α-cétoglutarate Ala, alanine Asp, aspartate CP, carbamoyl phosphate F6P, fructose 6-phosphate GlcN6P, glucosamine 6-phosphate Gln, glutamine Glu, glutamate Oac, oxaloacétate P5C, pyrroline, 5-carboxylate P phospho-β- d-ribosylamine Pro, proline Pyr, pyruvate.

Alors que la capacité d'utiliser les voies de la glutaminolyse est inhérente à la transcription du génome de toutes les cellules, la tendance à dériver la glutamine vers elles est probablement spécifique au tissu, au type cellulaire et dépend des besoins métaboliques conditionnels [23]. Par exemple, les mammifères nouveau-nés utilisent la proline, et non la glutamine, comme apport anabolique majeur pour la synthèse de l'arginine [24]. D'autre part, un passage à la glutaminolyse en tant que principale source de glutamate est intrinsèque dans de nombreux contextes de cancer. La régulation à la hausse du GLS par les voies oncogènes est un mécanisme courant de ce changement métabolique. Le facteur de transcription oncogène c-Myc a été impliqué comme l'un des moteurs de la régulation positive de GLS1 en supprimant les effets inhibiteurs sur la traduction de GLS1 par miR-23a/b [25]. Cette régulation positive de GLS1 par des mécanismes post-transcriptionnels a également été attribuée à d'autres facteurs pro-néoplasiques. Le membre de NF-㮫 p65 régule négativement la transcription de miR-23a dans les cellules leucémiques, tandis que HSF1, qui est exprimé de manière ubiquitaire dans plusieurs types de cancer, a supprimé la transcription de l'inhibiteur de GLS1 miR-137 [26,27]. De plus, il a été démontré que le facteur de transcription c-Jun, un effecteur en aval de la Dbl oncogène et de la voie de la kinase JNK-MAP, se lie directement au promoteur GLS1 et favorise sa régulation positive [28]. Contrairement à GLS1, GLS2 a été identifié comme une cible pour le suppresseur de tumeur p53 et peut donc soutenir les propriétés anticancéreuses [29,30]. Cette apparente contradiction peut être le résultat de différences de propriétés entre les deux isoenzymes GLS et nécessite une enquête plus approfondie.

Il a en outre été démontré que d'autres oncogènes médient les effets pro-cancer par la régulation à la hausse de la glutaminolyse. Dans les cellules d'adénocarcinome canalaire pancréatique (PDAC), il a été démontré que le KRAS oncogène modifie le métabolisme de la glutamine en régulant à la hausse le GOT1 cytoplasmique et à la baisse GLUD1, en stimulant une voie dans laquelle l'aspartate dérivé de la glutamine des mitochondries est utilisé comme métabolite pour générer de l'AAO cytosolique [11]. L'activité ultérieure de la malate déshydrogénase (MDH) et de l'enzyme malique cytosolique (ME1) fournit aux cellules PDAC les nucléotides pyridine réduits nécessaires à l'homéostasie redox [11]. Dans une étude distincte, les cellules PDAC cultivées dans des conditions acides ont également montré une dépendance accrue à la glutamine pour l'homéostasie redox et l'anaplérose [31]. Dans le cancer colorectal (CRC), des mutations du gène PIK3CA, qui code pour la sous-unité p100α de PI3K, entraînent une régulation positive de GPT2 et une dépendance aux intermédiaires TCA dérivés de la glutamine pour soutenir la croissance [32]. De plus, l'homologue du récepteur hépatique 1 (LRH1) a été impliqué en tant que facteur de transcription, qui entraîne la formation de tumeurs via des effets sur le métabolisme de la glutamine dans le carcinome hépatocellulaire (CHC) [33]. Dans l'ensemble, la régulation à la hausse de la glutaminolyse dans les cellules cancéreuses est presque omniprésente et obtenue grâce à de nombreux effecteurs oncogènes différents.

L'inhibition de la glutaminolyse aberrante s'est largement concentrée sur le ciblage de l'activité de la glutaminase mitochondriale. Le BPTES et le CB-839, plus soluble et biodisponible, inhibent sélectivement le GLS1 et ont été étudiés en tant qu'agents antinéoplasiques dans plusieurs contextes [34,35,36,37,38]. Cependant, certains types de cancer (p. En outre, ces études mettent en évidence la plasticité du métabolisme de la glutamine et du glutamate et suggèrent que les cellules peuvent réacheminer de manière autonome le flux métabolique pour fournir du glutamate par d'autres moyens (Figure 1). Le glutamate est produit lors de la synthèse des nucléobases puriques et pyrimidiques et de la sous-unité de glycosylation N-acétyl-glucosamine (GlcNAc). La synthèse de purine et de pyrimidine utilise l'azote γ de la glutamine pour générer de la 5-phospho-β-d-ribosylamine (PRA) et du carbamoyl phosphate (CP) par la phosphoribosyl pyrophosphate amidotransférase (PPAT) et la carbamoyl phosphate synthetase (CPS) domaine du complexe CAD, respectivement [41,42,43]. La glutamine cytosolique est également un substrat pour la glutamine-fructose 6-phosphate aminotransférase (GFPT1), qui est utilisée pour produire du glutamate et de la glucosamine 6-phosphate (GlcN6P) un précurseur de la N-acétylglucosaminylation liée à l'O [44]. De plus, la synthèse cytosolique de l'asparagine par l'asparagine synthétase (ASNS) produit également du glutamate. Compte tenu des nombreuses voies d'approvisionnement en glutamate, les efforts visant à cibler les demandes de glutamine dans le cancer se sont élargis pour identifier des antagonistes ciblant simultanément plus d'une enzyme dépendante de la glutamine. La 6-diazo-5-oxo-L-norleucine (DON) a été développée il y a des décennies en tant qu'agent antinéoplasique potentiel pour son activité inhibitrice contre de nombreuses enzymes dépendantes de la glutamine, notamment la glutaminase et les glutamine amidotransférases [45]. Cependant, la toxicité gastro-intestinale (GI) chez la majorité des patients recevant du DON a limité son utilisation clinique [46]. Plus récemment, des formes promédicamenteuses de DON ont été développées avec des propriétés d'administration améliorées au cerveau ou aux tumeurs et une toxicité gastro-intestinale réduite, ce qui a ravivé l'intérêt pour l'utilisation d'antagonistes de la glutamine comme agents antitumoraux [47,48,49,50,51]. Une autre stratégie consiste à limiter l'accès des cellules cancéreuses à la glutamine en inhibant l'absorption dépendante du transporteur. Deux des transporteurs de glutamine les mieux documentés appartiennent aux familles des transporteurs de soluté (SLC) SLC1A et SLC38A, et le transporteur SLC6A14/ATB 0+, plus proche de Na + /Cl − - peut également jouer un rôle dans l'importation de glutamine [ 52,53,54]. Des inhibiteurs de SLC1A5/ASCT2 ont été identifiés et présentent des propriétés antitumorales prometteuses dans des modèles précliniques [55,56,57,58,59]. De plus, le ciblage des transporteurs secondaires de glutamine (par exemple, SLC38A2, SLC6A14) génétiquement ou pharmacologiquement (par exemple, α-méthyltryptophane) supprime de manière significative l'homéostasie des acides aminés et la croissance tumorale dans le cancer du pancréas [60,61].

2.2. Aspartate

L'aspartate est un acide aminé non essentiel qui peut être acquis par synthèse de novo et/ou importé de sources externes. Cependant, les niveaux circulants d'aspartate dans des conditions physiologiques sont faibles (

10 µM) et maintenue par les aspartate transaminases hépatiques, la synthèse fournit donc probablement la majorité de l'aspartate cellulaire dans la plupart des contextes [4]. La biosynthèse de l'aspartate est réalisée via des aspartate aminotransférases (transaminases glutamique-oxaloacétiques) dans le cytosol (GOT1) et dans la matrice mitochondriale (GOT2), qui, comme indiqué ci-dessus, utilisent le glutamate comme source d'azote aminé. L'aspartate a de nombreux destins biosynthétiques dans la cellule (par exemple, protéines, nucléotides et acides aminés) et sert également de facteur d'échange pour le transporteur aspartate-glutamate (AGC1/AGC2), un composant essentiel de la navette malate-aspartate (MAS ) ( Figure 2 ). Le MAS est responsable du transfert d'électrons du NADH cytosolique au NADH mitochondrial, car les équivalents réducteurs (par exemple, NAD(P)H) ne peuvent pas traverser directement la membrane mitochondriale interne. Cependant, des études récentes ont identifié que SLC25A51 et SLC25A52 facilitent le transport mitochondrial du NAD + [62, 63, 64]. L'activité ultérieure du MAS et/ou de l'UCP2 est nécessaire pour exporter l'aspartate dans le cytosol où il peut être utilisé comme source protéinogène et/ou précurseur pour la synthèse de l'arginine et de l'asparagine [65,66].

Voies et transporteurs biochimiques impliquant l'aspartate (Asp) et les intermédiaires apparentés. L'aspartate est transporté par le transporteur membranaire plasmique SLC1A3, qui transporte également le glutamate. L'aspartate est synthétisé par les transaminases glutamo-oxaloacétiques (GOT) présentes dans le cytosol (GOT1) ou les mitochondries (GOT2). L'efflux mitochondrial d'aspartate se produit principalement par SLC25A12 ou SLC25A13, qui contre-échangent le glutamate et sont des composants essentiels de la navette malate-aspartate (MAS) et UCP2. L'aspartate cytosolique est utilisé comme substrat pour la synthèse de l'asparagine et de l'arginine via l'asparagine synthétase (ASNS) et l'argininosuccinate synthase (ASS1) et comme substrat pour la biosynthèse des nucléotides, apportant du carbone et de l'azote à la purine et aux pyrimidines (marquées en rouge). L'asparagine cytosolique est utilisée comme facteur d'échange de plusieurs acides aminés par l'intermédiaire d'un transporteur membranaire plasmique inconnu. AA, acide aminé AcCoA, acétyl-coenzyme A αKG, α-cétoglutarate Asn, asparagine Asp, aspartate FH, fumarate hydratase Gln, glutamine Glu, glutamate GSH, glutathion réduit GSSG, glutathion oxydé Malox, malate Oac, Pyraloacétate , pyruvate SDH, succinate déshydrogénase UCP2, protéine de découplage 2.

Dans de nombreux contextes, l'aspartate est principalement synthétisé par le GOT2 mitochondrial et est suggéré comme étant l'un des résultats de l'activité de la chaîne de transport d'électrons (ETC) mitochondriale dans les cellules en prolifération [11,67,68,69,70,71,72]. Bien que l'ATP soit un autre résultat majeur de l'activité de l'ETC, les cellules en prolifération avec un accès suffisant au glucose peuvent passer à la glycolyse aérobie pour satisfaire en grande partie ces exigences [67]. L'aspartate joue un rôle biosynthétique, agissant comme un donneur d'azote pour la synthèse de l'adénine et un squelette carboné via l'orotate pour la synthèse de la pyrimidine. La disponibilité de l'aspartate a été suggérée comme étant limitante pour la prolifération de certains cancers. Sullivan et al. ont utilisé une asparaginase de cobaye (gpASNase1) pour fournir aux tumeurs de l'aspartate dérivé de l'asparagine et ont observé une croissance tumorale accrue dans les lignées cellulaires HCT116 et AL1376 colorectales et murines PDAC, respectivement [73]. Fait intéressant, gpASNas1 a eu peu ou pas d'effet sur la croissance tumorale humaine AsPC1. De même, certaines cellules cancéreuses utilisent un transporteur membranaire de glutamate et d'aspartate, SLC1A3, pour fournir de l'aspartate dans des conditions où la synthèse de novo est limitée par l'inhibition de l'ETC [74]. L'acquisition environnementale de l'aspartate par SLC1A3 a également été impliquée dans les microenvironnements hypoxiques ou en réponse à la restriction de la glutamine [72,74,75]. L'hypoxie supprimerait la biosynthèse de l'aspartate mitochondrial via une régulation négative dépendante de HIF1 et GOT2 dans les cellules de carcinome rénal déficientes en Von Hippel-Lindau (VHL) [76]. Cependant, il a été démontré que les cellules cancéreuses du pancréas maintiennent des flux biosynthétiques d'aspartate dans des tensions d'oxygène aussi faibles que 0,1% O2 grâce à l'activité du complexe III+IV contenant des supercomplexes respiratoires, qui sont suggérés pour favoriser une respiration efficace dans des environnements limitants en oxygène [77]. Notamment, la stabilisation maximale du HIF se produit dans

1% O2, bien au-dessus des tensions où l'oxygène devient limitant pour la respiration mitochondriale [78]. Bien que la glutaminolyse fournisse aux cellules la majorité du carbone nécessaire à la synthèse de l'aspartate, dans les sous-types de cancer entraînés par des déficits du cycle du TCA (par exemple, déficit en SDH ou en FH), l'activité de la pyruvate carboxylase peut détourner le pyruvate dérivé du glucose pour fournir l'oxaloacétate nécessaire à cette fonction anabolique [79,80,81,82,83,84]. Ce passage à la synthèse d'aspartate dépendante du PC a également été observé dans les tumeurs PDAC in vivo et dans les lignées cellulaires de cancer du sein et du poumon exposées à des tensions d'oxygène hypoxiques [77,85]. Dans l'ensemble, l'aspartate est un métabolite anabolique critique nécessaire pour fournir des nucléotides aux cellules cancéreuses proliférantes. Cependant, sa synthèse à partir de voies dérivées de la glutamine et/ou du glucose est complexe et dépend fortement du contexte environnemental et de la disponibilité des nutriments.

L'aspartate cytosolique est utilisé par l'ASNS et l'ASS1 pour la biosynthèse de l'asparagine et de l'arginine, respectivement (Figure 2). La production de ces acides aminés soutient la traduction des protéines, mais joue également des rôles indirects pour la prolifération. Par exemple, l'asparagine agit comme un facteur d'échange d'acides aminés pour faciliter l'afflux d'autres acides aminés (p. L'arginine est une source majeure d'oxyde nitrique cellulaire (NO), par l'activité de l'iNOS, ou est catabolisée par l'arginase comme étape finale du cycle de l'urée. L'arginine et d'autres acides aminés basiques (par exemple, la lysine, l'ornithine), peuvent également être transportés dans les mitochondries par SLC25A29 [87].L'expression de SLC25A29 s'est avérée élevée dans plusieurs lignées cellulaires cancéreuses et importante pour la production de NO par une NOS mitochondriale [88]. L'activité de l'arginase extrahépatique 2 (ARG2) régule également la production mitochondriale de NO [87,89,90]. Notamment, plusieurs cancers régulent à la baisse l'activité de ces voies via le silençage de l'expression d'ASS1 et/ou d'ASNS, créant une dépendance (auxotrophie) pour l'acquisition environnementale et/ou stromale de ces acides aminés [91,92,93,94]. L'extinction de l'ASS1 et/ou de l'ASNS peut offrir un avantage sélectif pour les cellules cancéreuses, permettant le détournement de l'aspartate vers d'autres voies anaboliques telles que la biosynthèse des nucléotides. Il est important de noter que l'activité du MAS et/ou d'autres transporteurs d'aspartate mitochondrial (par exemple, UCP2) représente une étape clé pour réguler la disponibilité compartimentale de cet acide aminé critique [65,66].

2.3. Sérine, Glycine et Alanine

Le métabolisme des petits acides aminés neutres sérine, glycine et alanine se produit à la fois dans le cytosol et les mitochondries et a des implications pour la physiologie et les maladies humaines (Figure 3). La sérine est constituée d'une simple chaîne latérale hydroxyméthyle et est soit absorbée soit synthétisée de novo à partir de l'intermédiaire glycolytique 3-phosphoglycérate par trois enzymes cytosoliques, la phosphoglycérate déshydrogénase (PHGDH), la phosphosérine aminotransférase (PSAT1) et la phosphosérine phosphatase (PSPH). L'activité de la synthèse de la sérine est importante pour le développement normal, car la suppression de Phgdh provoque une létalité embryonnaire en partie due à des défauts neurologiques [95]. La sérine, en particulier la D-sérine, est considérée comme un neurotransmetteur excitateur critique agissant comme co-agoniste du récepteur N-méthyl D-aspartate (NMDA) sur les neurones, et l'épuisement dû à une synthèse déficiente ou à l'activité de la racémase conduit probablement à une neurotoxicité catastrophique [96]. On pense que des taux anormaux de D-sérine dans le cerveau contribuent aux troubles neurodégénératifs tels que la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie [97, 98, 99, 100]. L'expression des enzymes de biosynthèse de la sérine est fortement régulée par plusieurs facteurs, dont NRF2-ATF4 [101,102], c-Myc [103] et les facteurs inductibles par l'hypoxie [104]. Beaucoup de ces régulateurs transcriptionnels sont altérés dans le cancer et contribuent à l'augmentation du flux de synthèse de sérine, mais l'expression de la PHGDH s'est également avérée amplifiée par le gain du nombre de copies d'une région génomique sur le chromosome 1p12 dans un sous-ensemble de sein et de mélanome [105,106]. Il a été démontré que l'expression de la PHGDH soutient la croissance tumorale spécifiquement dans les environnements à faible sérine, tels que le liquide céphalo-rachidien où les concentrations sont significativement inférieures à celles du plasma, et la restriction alimentaire de la sérine et de la glycine réduit la croissance tumorale dans les modèles précliniques de cancer et améliore l'activité des inhibiteurs mitochondriaux [107,108,109,110,111] . De plus, un sous-ensemble de cellules PDAC régule négativement les enzymes de synthèse de la sérine, et il a été démontré que l'approvisionnement neuronal alimente les cellules cancéreuses en sérine spécifiquement dans les environnements nuls [112]. Comme la PHGDH est considérée comme l'étape limitante de la synthèse de la sérine et importante pour la prolifération des lignées cellulaires cancéreuses amplifiées par la PHGDH, plusieurs inhibiteurs ont été développés [113,114,115]. Notamment, la synthèse et l'absorption de sérine peuvent se produire parallèlement au catabolisme, en fonction du contexte et de la demande intrinsèque de la cellule en sérine et/ou ses nombreuses sorties cataboliques.

Métabolisme de petits acides aminés neutres, dont la sérine (Ser), la glycine (Gly) et l'alanine (Ala). La sérine, la glycine et l'alanine sont principalement transportées par les transporteurs membranaires plasmiques SLC38A1, SLC38A2, SLC1A4 et SLC1A5 ou synthétisées de novo par des voies cytosoliques et/ou mitochondriales. Les gradients de sodium (Na + ) à travers la membrane plasmique entraînent la concentration intracellulaire de sérine, glycine et alanine. La sérine est synthétisée à partir de 3-phosphoglycérate (3pg) par un processus en trois étapes impliquant la 3-phosphoglycérate déshydrogénase (PHGDH), la phosphosérine aminotransférase (PSAT1) et la phosphosérine phosphatase (PSPH). La sérine cytosolique est utilisée pour plusieurs voies métaboliques, y compris la voie de transsulfuration pour la synthèse de novo de la cystéine et le métabolisme à un carbone induit par le folate (FOCM) impliquant la sérine hydroxyméthyltransférase (SHMT) et les méthylènetétrahydrofolate déshydrogénases (MTHFD). FOCM se produit à la fois dans le cytosol et les mitochondries et peut produire de la glycine. Dans le cytosol, la glycine est utilisée pour la synthèse du glutathion et la synthèse des purines (marquées en rouge) et agit comme un substrat pour le cycle de la méthionine important pour les réactions de méthylation. Dans les mitochondries, la glycine peut être clivée par le système de clivage de la glycine (GCS) pour fournir une unité de carbone pour le FOCM et constitue un substrat pour la synthèse de l'acide δ-aminolévulinique (δ-ALA). Lorsque l'activité du GCS est faible, la glycine mitochondriale peut conduire à l'accumulation de méthylglyoxal. Les composants du FOCM, notamment le 5,10-méthylène-tétrahydrofolate (5,10-meTHF) et le 10-formyl-tétrahydrofolate (10-formylTHF) peuvent contribuer à la biosynthèse des nucléotides (marqués en bleu foncé et rouge foncé, respectivement). L'importation de sérine mitochondriale est facilitée par la sidéroflexine 1 et 3 (SFXN1/3), le formiate est transporté par un mécanisme de transport inconnu et la glycine est importée par SLC25A38 et d'autres transporteurs peuvent être impliqués. L'alanine est synthétisée à partir du pyruvate par des transaminases glutamo-pyruviques (GPT) cytosoliques ou mitochondriales localisées dans le cytosol (GPT1) ou les mitochondries (GPT2). Le pyruvate est importé dans les mitochondries par le transporteur mitochondrial de pyruvate (MPC1/2) un hétérodimère obligatoire. L'alanine est échangée entre le cytosol et les mitochondries par un transporteur inconnu. 10-formylTHF, 10-formyl-tétrahydrofolate 3pg, 3-phosphoglycérate 5,10-meeTHF, 5,10-méthényl-tétrahydrofolate 5,10-meTHF, 5,10-méthylène-tétrahydrofolate 5-mTHF, 5-méthyl-tétrahydrofolate accoa , acétyl-coenzyme A αKG, α-cétoglutarate Ala, alanine Cys, cystéine δ-ALA, δ-aminolévulinique DMG, diméthylglycine Gap, glycéraldéhyde 3-phosphate Gluc, glucose Gly, glycine GSH, réduit glutathion Homocys, homocystéine Lac, lactate Met, méthionine Oac, oxaloacétate p-Pyr, 3-phosphopyruvate p-Ser, phosphosérine Pyr, pyruvate SAH, S-adénosylhomocystéine SAM, S-adénosylméthionine Ser, sérine Succi-coa, succinyl-coenzyme A , tétrahydrofolate.

La sérine est utilisée pour la synthèse de la glycine ainsi que la synthèse des céramides et des sphingolipides, la synthèse des nucléotides, le métabolisme à un carbone médié par le folate (FOCM), la régénération de la S-adénosyl méthionine pour les réactions de méthylation et la transsulfuration pour la biosynthèse de la cystéine (Figure 3). La synthèse de la glycine nécessite les enzymes cytosoliques et mitochondriales sérine hydroxyméthyltransférase (SHMT1/2) produisant des unités à un carbone sous la forme de 5,10-méthylène-tétrahydrofolate (5,10-meTHF). L'activité subséquente des méthylènetétrahydrofolate déshydrogénases (MTHFD1/1L/2) libère du formiate, qui peut être transporté à travers les membranes mitochondriales. Le cycle métabolique résultant agit comme une navette pour les équivalents réducteurs de NAD(P)H et les unités à un carbone nécessaires à la synthèse de la thymidine et de la purine. La directionnalité du cycle métabolique du FOCM fonctionne principalement de manière oxydative dans les mitochondries, mais peut s'inverser pour maintenir un approvisionnement en un carbone pour la synthèse de nucléotides dans les cas où les isoformes mitochondriales sont supprimées [116,117,118]. Une activité et une dépendance élevées à SHMT1/2 pour la prolifération ont été démontrées dans de multiples contextes de cancer, et des inhibiteurs ciblant ces enzymes ont été développés [105,106,119,120]. Dans les environnements remplis, le catabolisme de la sérine par SHMT2 peut se produire en excès et la libération de glycine et de formiate, appelée débordement de formate, a été rapportée pour plusieurs lignées cellulaires cancéreuses et non transformées et chez la souris [121]. Grâce à ce mécanisme, le catabolisme de la sérine agit comme une source importante d'ATP et de NAD(P)H, et il a été démontré que le flux à travers cette voie soutient le métabolisme mitochondrial oxydatif [122]. En réponse à l'inhibition pharmacologique de la respiration qui devrait augmenter le NADH/NAD + mitochondrial, le catabolisme mitochondrial de la sérine est maintenu, tandis que d'autres sources enzymatiques de NADH (par exemple, la pyruvate déshydrogénase) ont été inhibées par rétroaction [123]. Ainsi, le métabolisme de la sérine est très complexe et peut fournir aux cellules de la glycine, des unités à un carbone, du NAD(P)H et de l'ATP en fonction du contexte et de la demande cellulaire [124].

La glycine peut également contribuer à des unités à un carbone via l'activité mitochondriale du système de clivage de la glycine (GCS), qui libère du CO2, NH3et 5,10-meTHF (Figure 3). Notamment, l'activité du GCS dans de nombreuses lignées cellulaires cancéreuses s'est avérée faible par rapport au catabolisme de la sérine [125]. Cependant, dans le contexte de lignées cellulaires cancéreuses avec un flux élevé de SHMT2 mitochondrial, l'activité de GCS est nécessaire pour éliminer l'excès de glycine et empêcher une accumulation des sous-produits toxiques aminoacétone et méthylglyoxal dérivés de l'interconversion de la glycine et de la thréonine [126]. Le méthylglyoxal s'est avéré s'accumuler dans les cancers du poumon non à petites cellules par rapport aux tissus normaux, et la séquestration du méthylglyoxal toxique nécessite du glutathion (GSH) et l'activité de la glyoxalase (GLO1) pour prévenir les dommages cellulaires [127]. L'activité du GCS s'est avérée importante pour le maintien de la pluripotence des cellules souches grâce à la régulation épigénétique [128]. La glycine extracellulaire peut également être utilisée pour la synthèse de sérine dépendante de SHMT mais nécessite une source exogène de formiate [125]. En plus du FOCM, la glycine est également un précurseur nécessaire à la synthèse du GSH et de l'acide δ-aminolévulinique (δ-ALA mitochondrial) nécessaires à la biosynthèse de l'hème. La synthèse du glutathion se produit dans le cytosol, nécessitant une exportation mitochondriale de glycine et une importation de GSH dans les organites intracellulaires, y compris les mitochondries, qui contiennent

10&# x0201315% de GSH cellulaire à une concentration similaire au cytosol [129]. Le maintien des pools de GSH est important pour réguler l'activité des protéines sensibles à l'oxydation post-traductionnelle des résidus de cystéine (par exemple, PTP1B) [130,131,132]. Un aperçu de l'activité et du rôle en aval du métabolisme de la sérine et de la glycine peut être obtenu en examinant l'absorption et la sécrétion extracellulaires.

La synthèse de l'alanine nécessite des transaminases glutamo-pyruviques cytosoliques et/ou mitochondriales (GPT1/2). La synthèse physiologique se produit dans le muscle squelettique à partir du pyruvate et du glutamate dérivés de la glycolyse et du catabolisme des BCAA, respectivement. L'alanine sécrétée par les muscles fournit le carbone nécessaire à la gluconéogenèse dans le foie, qui à son tour fournit du glucose aux muscles et séquestre l'azote produit par le catabolisme de l'alanine sous forme d'urée [134,135,136,137]. Le cycle glucose/alanine qui en résulte, appelé « cycle de Cahill » ? Il a été proposé que la dérégulation de ce cycle se produise chez les patients atteints de cancer, par laquelle un renouvellement accru des protéines et/ou une dégradation musculaire (�hexia”) libère de l'alanine, des BCAA et d'autres acides aminés pour la gluconéogenèse hépatique [139,140,141]. Une conversion hépatique élevée de l'alanine en glucose a été mesurée chez les patients atteints de cancer du poumon et d'autres cancers, mais les taux plasmatiques d'alanine sont restés pour la plupart stables [142, 143, 144, 145]. Les hépatocytes expriment à la fois les isoformes cytosoliques (GPT1) et mitochondriales (GPT2) nécessaires à la synthèse et au catabolisme de l'alanine de novo. Cependant, des paramètres et des études biochimiques suggèrent que GPT1 (Km, ala = 34 mM) et GPT2 (Km, ala = 2 mM) présentent une préférence pour l'anabolisme et le catabolisme de l'alanine, respectivement, bien que cela dépende fortement de la méthode utilisée pour déterminer la directionnalité [ 146 147 148 149 150]. Des preuves récentes suggèrent que les cellules cancéreuses du pancréas ont une forte demande en alanine et éliminent l'alanine des sources stromales (par exemple, les cellules étoilées activées) [60, 151]. La majorité des cellules cancéreuses pancréatiques humaines expriment sélectivement la GPT2, à la fois au niveau du transcrit et des protéines, suggérant que le métabolisme de l'alanine se produit principalement dans les mitochondries [60]. Notamment, le catabolisme mitochondrial de l'alanine par GPT2 nécessite l'activité d'un transporteur mitochondrial de l'alanine, qui a été identifié fonctionnellement il y a des décennies mais reste inconnu [147]. Il a été suggéré que la faible expression de la GPT1 cytosolique, qui catalyse la synthèse d'alanine à partir du pyruvate dans les hépatocytes, et l'absorption d'alanine fournissent aux cellules cancéreuses du pancréas la capacité de retenir le pyruvate dans le cytosol et de favoriser la glycolyse aérobie [60,152]. En revanche, les lymphocytes T naïve nécessitent l'alanine pour l'activation car ni GPT1 ni GPT2 ne sont exprimés à des niveaux suffisants [153]. La production d'alanine à partir de pyruvate s'est avérée importante pour la métastase des cellules cancéreuses du sein, fournissant une source de α-cétoglutarate utilisé pour l'hydroxylation du collagène et le remodelage de la matrice extracellulaire (ECM) [154]. Surtout, il a été suggéré que le transport à travers la membrane plasmique pourrait être la principale étape limitante du métabolisme de l'alanine à des concentrations extracellulaires ρ mM [147,155,156]. Les taux plasmatiques normaux d'alanine sont

0,2𠄰.4 mM, mais des niveaux élevés (

1 mM) ont été mesurées par voie intratumorale, suggérant une altération du métabolisme et de la disponibilité de l'alanine dans les cellules stromales cancéreuses et associées aux tumeurs [157,158]. Notamment, SLC38A2/SNAT2 a été identifié comme le principal transporteur concentré d'alanine utilisé par les cellules cancéreuses du pancréas et le ciblage de SLC38A2 était suffisant pour supprimer l'absorption d'alanine par les cellules cancéreuses pancréatiques et provoquer un re-câblage significatif du métabolisme compartimenté du pyruvate [60]. Ensemble, ces études suggèrent qu'il est possible de perturber le métabolisme de l'alanine dans le cancer en modifiant le transport membranaire plasmique, et le transport mitochondrial de l'alanine peut être un acteur clé du métabolisme glucose-pyruvate-alanine par le muscle squelettique, les hépatocytes et les cellules cancéreuses.

2.4. Acides aminés à chaîne ramifiée

Les acides aminés à chaîne ramifiée (BCAA) comprennent la leucine, l'isoleucine et la valine et sont dérivés de sources alimentaires. En raison de leur caractère essentiel chez les mammifères, le transport et la détection des BCAA en plus des mécanismes cataboliques d'acquisition (par exemple, l'autophagie, la macropinocytose) ont suscité beaucoup d'intérêt. L'absorption cellulaire des BCAA est principalement facilitée par le transporteur d'acides aminés de type L (SLC7A5/LAT1), qui nécessite une dimérisation avec SLC3A2/CD98 pour fonctionner. Il transporte également des acides aminés aromatiques (par exemple, la tyrosine, la phénylalanine) (Figure 4) [159,160]. Notamment, LAT1 est indépendant du sodium et s'appuie sur d'autres acides aminés pour servir de facteurs d'échange afin de faciliter l'importation nette de BCAA [159]. La leucine est bien caractérisée pour influencer la signalisation mTORC1, qui est activée de manière aberrante dans de nombreux types de cancer [161]. La leucine peut activer la signalisation mTORC1 par détection directe par Sestrin2 et perturbation de l'interaction Sestrin2-Gator2, déclenchant une cascade de signalisation via des effecteurs en aval (par exemple, facteur d'initiation de la traduction eucaryote 4E liant la protéine 1, p70-S6 kinase, ULK1) [161,162,163,164]. Ces signaux coordonnent la prolifération grâce à l'activité de l'autophagie et de la synthèse des protéines, des lipides et des nucléotides.

Voies biochimiques et mécanismes de détection impliquant les acides aminés à chaîne ramifiée (BCAA) la leucine (Leu), l'isoleucine (Ile) et la valine (Val). Les BCAA sont principalement importés par le grand transporteur d'acides aminés (LAT1), un dimère composé de SLC7A5 et SLC3A2/CD98, qui fonctionne comme un échangeur d'acides aminés et le SLC16A9/B0AT1 Na + dépendant. La glutamine—principalement transportée par SLC38A1, SLC38A2 et SLC1A5— est censée fournir la force motrice chimique nécessaire pour faire affluer les BCAA à travers LAT1. La leucine cytosolique est directement détectée par Sestrin2 et régule les signaux dépendants de mTORC1 qui contrôlent l'autophagie, la synthèse des protéines et la prolifération. Les BCAA peuvent être métabolisés par la BCAA transaminase (BCAT) présente dans le cytosol (BCAT1) ou les mitochondries (BCAT2), qui produisent des cétoacides à chaîne ramifiée (BCKA). Les BCKA cytosoliques peuvent être transportés par les transporteurs monocarboxylates SLC16A présents sur la membrane plasmique ou les mitochondries. Les BCAA sont importés dans les mitochondries par SLC25A44 et peuvent contribuer à la production d'acyl-CoA grâce à l'activité de la BCAT2 et de la BCKA déshydrogénase (BCKDH), qui est régulée par la BCKDH kinase (BCKDK) et la protéine phosphatase 1K dépendante du Mg 2+ /Mn 2+ ( PPM1K). L'acyl-CoA produit par le catabolisme des BCAA peut alimenter le métabolisme du cycle du TCA et la lipogenèse de novo. Les niveaux d'acétyl-CoA sont détectés par l'acétylation de RAPTOR dépendante de l'EPS300, qui à son tour régule l'activité de mTORC1. Le propionyl-CoA mitochondrial, produit à partir du catabolisme de la valine ou de l'isoleucine, est métabolisé pour produire du succinyl-CoA, mais peut produire le sous-produit méthylmalonate (MMA) lorsque les niveaux de vitamine B12 sont faibles. AcCoA, acétyl-coenzyme A αKG, α-cétoglutarate Gln, glutamine Glu, glutamate Ile, isoleucine KIC, acide α-cétoisocaproïque KIV, α-cétoisovalérique KMV, α-kéto-&#xx -méthylvalérique Leu, leucine Oac, oxaloacétate PropCoA, propionyl-coenzyme A SucCoA, succinyl-coenzyme A Val, valine.

En raison de l'expression abondante de SLC1A5/ASCT2 et LAT1, il a été suggéré que l'absorption de glutamine ASCT2-dépendante peut servir de facteur d'échange pour l'afflux de BCAA par LAT1. Cependant, ASCT2 est indispensable pour la prolifération et la signalisation mTORC1 dans de nombreuses lignées cancéreuses, et ASCT2 fonctionne principalement comme un échangeur incapable de concentrer suffisamment la glutamine pour entraîner l'activité de LAT1 [55,165,166]. Ainsi, les transporteurs secondaires actifs de glutamine (par exemple, SNAT1/SLC38A1, SNAT2/SLC38A2, SLC6A14/ATB 0,+) sont plus susceptibles de contribuer à la concentration de glutamine pour l'échange médié par LAT1. Cependant, la suppression de SLC38A2 dans le cancer du pancréas n'a pas eu d'impact sur le flux d'absorption de BCAA ou de glutamine malgré une diminution significative des niveaux de glutamine intracellulaire [60]. Au contraire, la coopérativité des transporteurs entre les transporteurs de glutamine et de BCAA peut être plus importante pour le maintien du niveau. En effet, le knock-out de LAT1 entraîne un

Diminution de 90 % du transport de la leucine dans les cellules de carcinome hépatocellulaire mais ne parvient pas à interdire les défauts prolifératifs, et le renversement ou l'inhibition de LAT1 n'a pas eu d'impact négatif sur la réactivation de mTORC1 après la stimulation de l'EAA [165,167]. De plus, le knock-out de SLC3A2/CD98 a aboli

90 % de l'absorption de leucine par LAT1 dans les cellules d'adénocarcinome du côlon, mais les défauts prolifératifs et l'activation de la réponse au stress des acides aminés liés au GCN2 n'ont pas été observés [168]. Ainsi, le transport membranaire plasmique des BCAA et/ou de la glutamine peut ne pas être limitatif ou dépend fortement du contexte cellulaire, et une capacité de transport minimale peut être suffisante pour satisfaire les demandes biosynthétiques et cataboliques de ces acides aminés. En revanche, LAT1 était significativement régulé à la hausse dans un Apc fl /fl LSL-Kras G12D /+ Villin CreER modèle murin de cancer colorectal et suppression ciblée de Slc7a5 a entraîné un retard de la tumorigenèse et une amélioration de la survie [169]. De plus, JPH203, une petite molécule inhibitrice de LAT1, a montré une efficacité préclinique significative dans le cancer colorectal et le lymphome/leucémie lymphoblastique à cellules T et a été bien toléré dans une étude de phase I chez des patients atteints de tumeurs solides avancées [170,171,172]. D'autres systèmes de transport peuvent faciliter l'absorption des BCAA, y compris le SLC6A19/B0AT1 dépendant de Na+, ce qui peut contribuer à une sensibilité différente en réponse à la suppression de LAT1 [173,174]. Des inhibiteurs ciblant SLC6A19/B0AT1 ont été développés en utilisant des approches de criblage in silico et à haut débit [175, 176].

En plus d'être utilisés pour la synthèse des protéines, les BCAA peuvent contribuer à des productions anaboliques et bioénergétiques importantes pour la physiologie humaine et une activité dérégulée est attribuée à de multiples maladies (examinées dans [161,177,178]) (Figure 4). Grâce à l'activité catalytique des aminotransférases à chaîne ramifiée hautement réversibles (BCAT1/2) localisées dans le cytosol (BCAT1) ou la matrice mitochondriale (BCAT2), le catabolisme des BCAA fournit aux cellules de l'azote aminé pour la synthèse du glutamate ainsi que des cétoacides à chaîne ramifiée (BCKA) (par ex. , α-cétoisocaproïque, KIC α-cétoisovalérique, KIV α-céto-β-méthylvalérique, KMV) qui contribuent à la synthèse de l'acyl-CoA, à la lipogenèse et au métabolisme du cycle du TCA. Alors que BCAT2 est exprimé de manière ubiquitaire, BCAT1 est exprimé sélectivement dans le cerveau, les ovaires et le placenta [179]. BCAT1 est couramment régulé à la hausse dans de nombreuses lignées cancéreuses différentes, telles que le glioblastome humain, le cancer du sein et le carcinome pulmonaire non à petites cellules (NSCLC), tandis que BCAT2 semble plus important pour le cancer du pancréas [180]. De plus, des taux plasmatiques élevés de BCAA sont associés à plusieurs maladies, notamment les maladies cardiovasculaires, le cancer du pancréas et le cancer du sein [139,181,182]. Dans les mitochondries, les BCKA peuvent subir une décarboxylation irréversible par le complexe α-cétoacide déshydrogénase (BCKDH) à chaîne ramifiée, qui se compose de trois sous-unités (E1, E2 et E3). L'activité de BCKDH est régulée négativement par l'état de phosphorylation de la sous-unité E1. La BCKDH kinase (BCKDK) et la protéine phosphatase 1 K dépendante de Mg 2+ /Mn 2+ (PPM1K) coordonnent l'activité d'oxydation de la BCKA. Il a été démontré que l'activité de PPM1K régule positivement le catabolisme des BCAA important pour la leucémogenèse [177, 183]. De plus, une oxydation défectueuse de la BCKA entraîne l'erreur innée du métabolisme de la maladie urinaire du sirop d'érable (MSUD), et l'activité dérégulée de la BCKDH est également attribuée à plusieurs maladies humaines (par exemple, le diabète, le cancer) [184].

Les produits acyl-CoA de l'oxydation du BCAA (par exemple, l'acétyl-CoA, le propionyl-CoA, le succinyl-CoA) ont le potentiel de contribuer au carbone pour l'activité du cycle oxydatif du TCA et/ou la lipogenèse, ce qui suggère que le BCAA peut servir de source de carburant importante pour la prolifération. cellules. De plus, l'acétyl-CoA dérivé de la leucine peut fournir des signaux prolifératifs directs par acétylation de Raptor via EP300, qui à son tour régule négativement la formation d'autophagosome et active la signalisation mTORC1 [185,186]. Que cela représente une contribution métabolique majeure, en particulier au cycle du TCA, dépend fortement du contexte. La contribution métabolique de l'acyl-CoA dérivé des BCAA a été largement caractérisée dans les tumeurs mutantes induites par Kras (par exemple, pancréas, poumon) étant donné la corrélation entre les taux plasmatiques élevés et la progression de la maladie [139]. Dans la leucémie myéloïde aiguë (LAM), le cancer du pancréas humain et les cellules cancéreuses colorectales, ainsi que dans LSL-Kras G12D /+ Trp53 flox /flox Dans les tumeurs pulmonaires et pancréatiques, les BCAA marqués au 13C ont contribué de manière minime aux intermédiaires du cycle du TCA mitochondrial, quelle que soit l'isoforme BCAT1/2 exprimée dans chaque contexte [180,187,188,189,190]. En revanche, les fibroblastes associés au cancer dérivés de tumeurs pancréatiques humaines ont montré un flux d'oxydation de BCAA plus élevé que les cellules cancéreuses pancréatiques, et les BCKA sécrétés par les CAF ont été incorporés dans le cycle du TCA dans les cellules cancéreuses pancréatiques humaines par oxydation ultérieure [191]. De même, le 13 C-KIC, dérivé du catabolisme de la leucine, s'est révélé oxydé par les tumeurs dans un modèle de gliome de rat en utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) hyperpolarisée [192]. Le transport des BCKA à travers la membrane plasmique est principalement facilité par les transporteurs monocarboxylates, MCT1/SLC16A1 et MCT4/SLC16A4, permettant aux cellules de partager des pools de BCKA circulants pour se convertir en BCAA si nécessaire [193,194,195,196]. Dans les adipocytes, les BCAA représentent une source anaplérotique et lipogénique majeure. L'acétyl-CoA ou le propionyl-CoA est utilisé pour la synthèse d'acides gras à chaîne paire ou impaire et, en plus du succinyl-CoA, contribue de manière significative aux intermédiaires du cycle du TCA (par exemple, le citrate) [197,198,199]. Le tissu adipeux peut également utiliser le catabolisme des BCAA pour générer des acides gras monométhylés à chaîne ramifiée grâce à l'activité de la carnitine acétyltransférase (CRAT) et de l'acide gras synthase (FASN) [200]. Notamment, la méthylmalonyl-CoA mutase requise pour convertir le propionyl-CoA en succinyl-CoA est dépendante de B12, et les acides gras à chaîne impaire et l'acide méthylmalonique (MMA) s'accumulent dans les adipocytes uniquement lorsqu'ils sont cultivés dans des milieux déficients en cobalamine (par exemple, DMEM) [199]. Dans une étude récente, l'augmentation des niveaux de MMA dans la circulation est en corrélation avec l'âge, et il a été découvert que le MMA favorise un phénotype de type transition épithéliale-mésenchymateuse (EMT) et contribue à une tumorigenèse accrue [201].


La biogenèse de la porine de la membrane mitochondriale externe implique une voie d'import via des récepteurs et le pore d'import général du complexe TOM

La porine, également appelée canal anionique voltage-dépendant, est la protéine la plus abondante de la membrane externe mitochondriale. Le processus d'importation et d'assemblage de la protéine est connu pour être dépendant du récepteur de surface Tom20, mais la nécessité d'autres protéines mitochondriales reste controversée. Nous avons utilisé des mitochondries de Neurospora crassa et Saccharomyces cerevisiae pour analyser la voie d'importation de la porine. L'importation de porine dans des mitochondries isolées dans lesquelles la membrane externe a été ouverte est inhibée malgré des niveaux de Tom20 similaires à ceux des mitochondries intactes. Un précurseur destiné à la matrice et le précurseur de la porine sont en compétition pour les mêmes sites de translocation dans les mitochondries normales et les mitochondries dont les récepteurs de surface ont été supprimés, suggérant que les deux précurseurs utilisent le pore d'importation général. En utilisant un test établi pour surveiller l'assemblage de porine importée in vitro dans des complexes de porine préexistants, nous avons montré qu'outre Tom20, la biogenèse de la porine dépend du récepteur central Tom22, ainsi que Tom5 et Tom7 du complexe général de pores d'importation (translocase du complexe central de la membrane mitochondriale externe [TOM]). La caractérisation de deux nouveaux allèles mutants de la protéine essentielle des pores Tom40 démontre que l'import de porine nécessite également un Tom40 fonctionnel. De plus, le précurseur de porine peut être réticulé à Tom20, Tom22 et Tom40 sur sa voie d'importation. Nous concluons que l'importation de porine ne procède pas uniquement par l'action de Tom20, mais nécessite une membrane externe intacte et implique au moins quatre sous-unités supplémentaires de la machinerie TOM, y compris le pore d'importation général.

Les figures

Importation de F 1 et porine dans N . crassa mitochondries avec…

Assemblage de porines importées in vitro…

Assemblage de porine importée in vitro dans des complexes préexistants. (A) Précurseur radiomarqué de levure…

L'insertion de porine est inhibée…

L'insertion de porine est inhibée en bloquant le pore de translocation avec des intermédiaires d'importation.…

La porine forme un poids moléculaire élevé…

La porine forme des complexes de haut poids moléculaire dans la levure. (A) purifié S . cerevisiae…

L'importation de porine nécessite des composants…

L'importation de porine nécessite des composants du GIP. (A) Niveaux de protéines Tom…

L'importation de porine n'est pas affectée dans tom40-3 mitochondries mutantes. (A) L'expérience…

Deux nouveaux allèles mutants de…

Deux nouveaux allèles mutants de TOM40 . (A) Séquences d'acides aminés prédites (simple…

Porin est à proximité de Tom20, Tom22 et Tom40 lors de son insertion…

L'importation de porine est inhibée…

L'importation de porine est inhibée dans tom40 mitochondries mutantes. (A) Précurseur de porine radiomarqué…


Contenu

L'aspartate transaminase catalyse l'interconversion de l'aspartate et du -cétoglutarate en oxaloacétate et glutamate.

L-Aspartate (Asp) + α-cétoglutarate ↔ oxaloacétate + L-glutamate (Glu)

En tant que transaminase prototypique, l'AST s'appuie sur le PLP (vitamine B6) comme cofacteur pour transférer le groupe aminé de l'aspartate ou du glutamate à l'acide céto correspondant. Dans le processus, le cofacteur fait la navette entre le PLP et la forme phosphate de pyridoxamine (PMP). [6] Le transfert de groupe aminé catalysé par cette enzyme est crucial à la fois dans la dégradation des acides aminés et dans la biosynthèse. Lors de la dégradation des acides aminés, suite à la conversion du -cétoglutarate en glutamate, le glutamate subit ensuite une désamination oxydative pour former des ions ammonium, qui sont excrétés sous forme d'urée. Dans la réaction inverse, l'aspartate peut être synthétisé à partir d'oxaloacétate, qui est un intermédiaire clé dans le cycle de l'acide citrique. [7]

Deux isoenzymes sont présentes chez une grande variété d'eucaryotes. Chez l'homme :

On pense que ces isoenzymes ont évolué à partir d'une AST ancestrale commune via la duplication de gènes, et elles partagent une homologie de séquence d'environ 45 %. [8]

L'AST a également été trouvée dans un certain nombre de micro-organismes, y compris E. coli, H. mediterranei, [9] et T. thermophilus. [10] Dans E. coli, l'enzyme est codée par le aspCet il a également été montré qu'il présentait l'activité d'une transaminase d'acides aminés aromatiques (EC 2.6.1.57). [11]

Des études de cristallographie aux rayons X ont été réalisées pour déterminer la structure de l'aspartate transaminase à partir de diverses sources, y compris les mitochondries de poulet, [12] le cytosol du cœur de porc, [13] et E. coli. [14] [15] Dans l'ensemble, la structure polypeptidique tridimensionnelle pour toutes les espèces est assez similaire. L'AST est un dimère, constitué de deux sous-unités identiques, chacune avec environ 400 résidus d'acides aminés et un poids moléculaire d'environ 45 kD. [8] Chaque sous-unité est composée d'un grand et d'un petit domaine, ainsi que d'un troisième domaine constitué des résidus N-terminaux 3-14. Ces quelques résidus forment un brin qui lie et stabilise les deux sous-unités du dimère. Le grand domaine, qui comprend les résidus 48-325, lie le cofacteur PLP via une liaison aldimine au groupe -amino de Lys258. D'autres résidus dans ce domaine - Asp 222 et Tyr 225 - interagissent également avec PLP via des liaisons hydrogène. Le petit domaine se compose des résidus 15-47 et 326-410 et représente une région flexible qui déplace l'enzyme d'une conformation "ouverte" à une conformation "fermée" lors de la liaison au substrat. [12] [15] [16]

Les deux sites actifs indépendants sont positionnés à proximité de l'interface entre les deux domaines. Au sein de chaque site actif, quelques résidus arginine sont responsables de la spécificité de l'enzyme pour les substrats d'acide dicarboxylique : Arg386 interagit avec le groupe (α-)carboxylate proximal du substrat, tandis que Arg292 se complexe avec le carboxylate distal (chaîne latérale). [12] [15]

En termes de structure secondaire, AST contient à la fois des éléments α et β. Chaque domaine a une feuille centrale de brins avec des hélices emballées de chaque côté.

L'aspartate transaminase, comme toutes les transaminases, fonctionne via une double reconnaissance de substrat, c'est-à-dire qu'elle est capable de reconnaître et de lier sélectivement deux acides aminés (Asp et Glu) avec des chaînes latérales différentes. [17] Dans les deux cas, la réaction de transaminase consiste en deux demi-réactions similaires qui constituent ce que l'on appelle un mécanisme de ping-pong. Dans la première demi-réaction, l'acide aminé 1 (par exemple, L-Asp) réagit avec le complexe enzyme-PLP pour générer le cétoacide 1 (oxaloacétate) et l'enzyme modifiée-PMP. Dans la seconde demi-réaction, l'acide cétoacide 2 (α-cétoglutarate) réagit avec l'enzyme-PMP pour produire l'acide aminé 2 (L-Glu), régénérant l'enzyme-PLP d'origine dans le processus. La formation d'un produit racémique (D-Glu) est très rare. [18]

Les étapes spécifiques de la demi-réaction Enzyme-PLP + aspartate Enzyme-PMP + oxaloacétate sont les suivantes (voir figure) l'autre demi-réaction (non illustrée) se déroule de manière inverse, avec le α-cétoglutarate comme substrat. [6] [7]

  1. Formation d'aldimine interne : Premièrement, le groupe ε-amino de Lys258 forme une liaison de base de Schiff avec le carbone de l'aldéhyde pour générer une aldimine interne.
  2. Transaldimination : L'aldimine interne devient alors une aldimine externe lorsque le groupe ε-aminé de Lys258 est déplacé par le groupe aminé de l'aspartate. Cette réaction de transaldimination se produit via une attaque nucléophile par le groupe amino déprotoné d'Asp et passe par un intermédiaire tétraédrique. A ce stade, les groupes carboxylate d'Asp sont stabilisés par les groupes guanidinium des résidus Arg386 et Arg 292 de l'enzyme. formation : L'hydrogène attaché au carbone a de l'Asp est ensuite extrait (on pense que Lys258 est l'accepteur de protons) pour former un intermédiaire quinonoïde. formation : Le quinonoïde est reprotoné, mais maintenant au niveau du carbone aldéhyde, pour former l'intermédiaire cétimine.
  3. Hydrolyse de la cétimine : Enfin, la cétimine est hydrolysée pour former du PMP et de l'oxaloacétate.

On pense que ce mécanisme comporte plusieurs étapes déterminantes partiellement la vitesse. [19] Cependant, il a été montré que l'étape de liaison au substrat (transaldimination) fait avancer la réaction catalytique. [20]

L'AST est similaire à l'alanine transaminase (ALT) en ce que les deux enzymes sont associées aux cellules du parenchyme hépatique. La différence est que l'ALT se trouve principalement dans le foie, avec des quantités cliniquement négligeables dans les reins, le cœur et le muscle squelettique, tandis que l'AST se trouve dans le foie, le cœur (muscle cardiaque), le muscle squelettique, les reins, le cerveau et le rouge cellules sanguines. [ citation requise ] En conséquence, l'ALT est un indicateur plus spécifique de l'inflammation du foie que l'AST, car l'AST peut également être élevée dans les maladies affectant d'autres organes, telles que l'infarctus du myocarde, la pancréatite aiguë, l'anémie hémolytique aiguë, les brûlures graves, l'insuffisance rénale aiguë, les maladies musculo-squelettiques , et traumatisme. [21]

L'AST a été définie comme un marqueur biochimique pour le diagnostic de l'infarctus aigu du myocarde en 1954. Cependant, l'utilisation de l'AST pour un tel diagnostic est maintenant redondante et a été remplacée par les troponines cardiaques. [22]

L'AST est couramment mesurée cliniquement dans le cadre des tests diagnostiques de la fonction hépatique, afin de déterminer la santé du foie. Cependant, il est important de garder à l'esprit que la source d'AST (et, dans une moindre mesure, d'ALT) dans les tests sanguins peut refléter une pathologie d'organes autres que le foie. En effet, lorsque l'AST est supérieur à l'ALT, une source musculaire de ces enzymes doit être envisagée. Par exemple, une inflammation musculaire due à une dermatomyosite peut provoquer l'AST>ALT. C'est un bon rappel que l'AST et l'ALT ne sont pas de bonnes mesures de la fonction hépatique car elles ne reflètent pas de manière fiable la capacité synthétique du foie et elles peuvent provenir de tissus autres que le foie (comme le muscle).

Les tests de laboratoire doivent toujours être interprétés en utilisant la plage de référence du laboratoire qui a effectué le test. Des exemples de plages de référence sont indiqués ci-dessous :


DISCUSSION

La translocation de protéines précurseurs mitochondriales dans et à travers l'OM est un processus activement étudié (Pfanner et al., 2004 Neupert et Herrmann, 2007 Chacinska et al., 2009 Schmidt et al., 2010 Endo et al., 2011 Dimmer et Rapaport, 2012). Cependant, contrairement aux précurseurs contenant la préséquence, aux transporteurs ou aux protéines -baril, on sait très peu de choses sur la translocation OM des protéines ciblées vers l'IMS via la voie de repliement oxydative dédiée, MIA. Notre test d'import de compétition in organello entre des précurseurs radiomarqués et des précurseurs en quantités saturantes a soulevé la possibilité que les protéines précurseurs dépendantes du MIA utilisent une voie d'importation différente de celle classique empruntée par les protéines précurseurs contenant la préséquence. Cependant, cette voie d'importation discrète implique le canal Tom40, car nous avons pu inhiber l'entrée de protéines dépendantes de MIA avec un agent alkylant qui obstruait le canal Tom40.

D'importance, nous avons démontré une interaction in vivo entre un substrat modèle MIA, Mix17DRAPEAU, et Tom40. Cette dernière observation est intéressante car aucune interaction physique entre les protéines précurseurs dépendantes du MIA et la TOM ou tout autre composant de l'OM n'a été rapportée. Nous avons pu observer une étape intermédiaire dans le processus transitoire et dynamique de transit à travers l'OM, ​​qui peut avoir deux explications. Dans un premier temps, nous avons appliqué une approche in vivo pour exprimer une protéine précurseur dans la cellule et suivre ses partenaires dans la biogenèse en utilisant des purifications par affinité. Deuxièmement, le choix de Mix17 comme protéine modèle dépendante de MIA peut avoir des avantages dans la surveillance des interactions rapides pendant la translocation à travers l'OM. Mia40 sert de récepteur spécifique et efficace pour ses substrats sur un trans côté de l'OM (Milenkovic et al., 2009 Sidéris et al., 2009 von der Malsburg et al., 2011). Ceci est probablement précédé d'une interaction rapide avec la machinerie qui est responsable du transfert de ces protéines précurseurs vers la trans côté de l'OM. Notre substrat modèle, Mix17, appartient aux plus grandes protéines MIA-dépendantes (Gabriel et al., 2007). D'intérêt, le jumeau CX9Le motif C est localisé à l'extrémité C-terminale de Mix17 (Böttinger et al., 2012). Ces caractéristiques peuvent affecter la vitesse de sa translocation à travers l'OM. Soutenant cette possibilité, la formation de l'intermédiaire Mia40-Mix17 qui suit la translocation OM est moins efficace par rapport à d'autres substrats dépendants de MIA (Böttinger et al., 2012). Ceci, à son tour, peut favoriser l'accumulation d'intermédiaires de transport de MO plus tôt. Un intermédiaire de translocation similaire se forme entre Tom40 et Pet191, mais avec une efficacité moindre, ce qui peut s'expliquer par son importation mitochondriale plus rapide, suivie d'une reconnaissance plus efficace par Mia40. Ainsi nous avons identifié un intermédiaire de transport de Mix17DRAPEAU formé avec Tom40 et a ensuite montré que d'autres protéines précurseurs dépendantes de MIA, telles que Pet191, formaient également cet intermédiaire.

Fait intéressant, nous n'avons identifié aucun autre composant TOM ou OM dans l'intermédiaire de translocation formé par Tom40 et les protéines destinées à l'IMS. C'était surprenant car les protéines dépendantes de TIM23 et contenant la préséquence en transit interagissent avec l'ensemble du complexe TOM, y compris ses sous-unités centrales, Tom22 et Tom5 (Dekker et al., 1997 Chacinska et al., 2003, 2010 Frazier et al., 2003 Tamura et al., 2009). De plus, diverses protéines précurseurs importées ont été purifiées à l'aide de Tom22LE SIEN (Chacinska et al., 2003, 2010 Wrobel et al., 2013).En accord avec l'absence de Tom22 dans l'intermédiaire de translocation Tom40, l'importation de protéines précurseurs radiomarquées dépendantes de MIA dans les mitochondries dépourvues de Tom22 mais aussi de Tom70 et Tom20 n'a pas été affectée. Les exigences de transport minimisées ont également été signalées précédemment pour le cytochrome c (Wiedemann et al., 2003).

La situation avec Tom5 est différente. L'exigence Tim9 pour Tom5 signalée plus tôt (Kurz et al., 1999 Vögtle et al., 2012) a été confirmée dans les présentes expériences. Cependant, la dépendance fonctionnelle vis-à-vis de Tom5 ne semble pas être une caractéristique universelle des protéines destinées à l'IMS. L'importation d'une sous-fraction de protéines dépendantes de MIA, y compris Mix17, n'a pas été affectée en l'absence de Tom5. Fait important, Tom5 n'était pas présent dans les intermédiaires de translocation Tom40. Sur la base de nos données, nous proposons un scénario dans lequel la fonction de Tom5 est indirectement nécessaire au stade de la translocation OM. L'absence de Tom5 peut altérer d'autres protéines encore inconnues impliquées dans la reconnaissance et le transport de protéines IMS spécifiques à travers l'OM. Alternativement, les mitochondries dépourvues de Tom5 peuvent également être altérées dans les réactions de repliement oxydatif. Cette déficience entraînerait un piégeage improductif des protéines dans l'IMS. Nos résultats soulèvent une possibilité d'existence du complexe TOM altéré qui ne contient pas toutes les sous-unités TOM typiques. De plus, la dynamique de la machinerie TOM, c'est-à-dire la dissociation transitoire lors de la liaison du précurseur, ne peut être exclue. Enfin, une forme putative différente ou plus dynamique de la translocase Tom40 peut être préférentiellement formée in vivo. En résumé, les protéines destinées à l'IMS traversent l'OM via une translocase Tom40 qui est architecturalement distincte du complexe TOM contenant Tom22.


INTRODUCTION

L'acquisition d'un endosymbiote bactérien par une cellule hôte primitive et sa conversion ultérieure en mitochondrie marque l'une des transitions les plus importantes de la biologie : l'avènement de la cellule eucaryote (Embley et Martin, 2006). Un aspect déterminant des mitochondries est leur capacité à importer des protéines du cytosol, un processus qui est entraîné par un ensemble de translocases protéiques caractéristiques (Neupert et Herrmann, 2007 Lithgow et Schneider, 2010 Schmidt et al., 2010 Endo et al., 2011).

Dans la membrane externe, nous trouvons deux de ces translocases. La plus importante - la porte d'entrée générale pour pratiquement toutes les protéines importées - est la translocase de la membrane mitochondriale externe (TOM). Il se compose de la sous-unité centrale formant des pores Tom40 (Hill et al., 1998 Ahting et al., 2001), une protéine à structure -baril, des récepteurs d'importation de protéines (tels que Tom70, Tom20 et Tom22 dans la levure) et d'un certain nombre de sous-unités plus petites. L'autre translocase dans la membrane externe est la machinerie de tri et d'assemblage (SAM), dont la fonction est l'insertion de protéines -baril. Sa sous-unité centrale est Sam50, qui est elle-même une protéine -baril (Chacinska et al., 2009).

Des études approfondies ont révélé que la plupart des composants et une grande partie de l'architecture du TOM et du SAM sont conservés entre la levure et les mammifères (Hoogenraad et al., 2002 Dolezal et al., 2006 Schneider et al., 2008 Hewitt et al., 2011). Cependant, une analyse plus globale montre que seuls les composants centraux des translocases protéiques mitochondriales sont conservés chez tous les eucaryotes. Parmi ceux-ci, le Sam50 est le plus conservé : il se trouve dans tous les groupes d'eucaryotes et possède même un orthologue bactérien, la protéine BamA de type Omp85, qui fonctionne en insérant des protéines -baril dans la membrane bactérienne externe (Bos et al., 2007). Tom40 est également conservé et trouvé dans pratiquement tous les eucaryotes cependant, bien que la structure en tonneau de Tom40 indiquerait une ascendance bactérienne, aucun orthologue bactérien n'a été identifié (Dolezal et al., 2006 Zeth, 2010).

Les sous-unités réceptrices du complexe TOM sont beaucoup moins conservées. Ainsi, dans les plantes Tom22 est fortement tronqué, et un Tom20 conventionnel est absent (Mac'asev et al., 2004). Au lieu de cela, nous trouvons un analogue structurel de Tom20 qui est codé à l'envers, suggérant que la similitude structurelle entre le Tom20 mammifère et fongique d'un côté et la plante Tom20 de l'autre côté est due à une évolution convergente et non à une descendance commune (Perry et al., 2006). Tom70 semble manquer dans les plantes (Chan et al., 2006) mais a été récemment détectée chez certains représentants de la Chromalveolata, qui ne sont pas liés aux champignons, aux mammifères et aux plantes, ce qui indique que Tom70 pourrait être plus répandu qu'on ne le pensait auparavant (Tsaousis et al., 2011).

Des études récentes sur un certain nombre de protozoaires différents ont révélé des écarts intéressants mais pour la plupart mineurs par rapport aux systèmes canoniques d'importation de protéines décrits chez la levure et les mammifères (Dolezal et al., 2005). Il était donc surprenant que les trypanosomatides aient une machinerie de translocation de la membrane externe mitochondriale fondamentalement différente. Les trypanosomatides manquent de Tom40 (Pusnik et al., 2009) et emploient à la place un canal de translocation de protéine membranaire externe appelé ATOM, pour la translocase archaïque de la membrane mitochondriale externe (Pusnik et al., 2011). Contrairement à Tom40, ATOM a un orthologue bactérien. Il présente des similitudes avec un sous-groupe de la famille des protéines bactériennes de type Omp85 qui est distinct de l'orthologue Sam50 BamA. Cela suggère que les trypanosomatides ont conservé un système archaïque d'importation de protéines de membrane externe qui pourrait avoir précédé le canal d'importation de protéines basé sur Tom40.

La découverte d'ATOM a fourni de nouvelles informations inattendues sur l'évolution du système d'importation des protéines de la membrane externe mitochondriale et l'évolution des eucaryotes en général. De plus, cela a soulevé la question de savoir quels autres facteurs pourraient être requis pour la translocation des protéines à travers la membrane externe des mitochondries trypanosomiennes. À l'aide de Trypanosoma brucei en tant que système modèle expérimental, nous avons découvert un facteur si nouveau. Cette protéine est une protéine de membrane externe mitochondriale essentielle qui est requise pour l'importation d'un grand sous-ensemble mais pas de toutes les protéines de la matrice et pourrait donc avoir une fonction de type récepteur.


En quoi les mécanismes de navette diffèrent-ils les uns des autres ?

Un système porteur qui a été largement étudié dans le muscle de vol des insectes est le navette glycérol-phosphate. Ce mécanisme utilise la présence sur la face externe de la membrane mitochondriale interne d'une enzyme dépendante du FAD qui oxyde le glycérol phosphate.

Le phosphate de glycérol est produit par la réduction du phosphate de dihydroxyacétone au cours de la réaction, le NADH est oxydé en NAD + . Dans cette réaction, l'oxydant (lui-même réduit) est le FAD, et le produit est le FADH2 (Illustration 20.23). La FADH2 fait ensuite passer les électrons à travers la chaîne de transport d'électrons, conduisant à la production de 1,5 mole d'ATP pour chaque mole de NADH cytosolique. Ce mécanisme a également été observé dans les muscles et le cerveau des mammifères.


Un mécanisme de navette plus complexe et plus efficace est le navette malate–aspartate, qui a été trouvé dans les reins, le foie et le cœur des mammifères. Cette navette utilise le fait que le malate peut traverser la membrane mitochondriale, contrairement à l'oxaloacétate. Le point remarquable de ce mécanisme de navette est que le transfert d'électrons du NADH dans le cytosol produit du NADH dans la mitochondrie. Dans le cytosol, l'oxaloacétate est réduit en malate par la malate déshydrogénase cytosolique, accompagné de l'oxydation du NADH cytosolique en NAD+ (Figure 20.24). Le malate traverse ensuite la membrane mitochondriale. Dans la mitochondrie, la reconversion du malate en oxaloacétate est catalysée par la malate déshydrogénase mitochondriale (l'une des enzymes du cycle de l'acide citrique). L'oxaloacétate est converti en aspartate, qui peut également traverser la membrane mitochondriale. L'aspartate est converti en oxaloacétate dans le cytosol, complétant ainsi le cycle de réactions.


Le NADH qui est produit dans la mitochondrie passe ainsi des électrons à la chaîne de transport d'électrons. Avec la navette malate-aspartate, 2,5 moles d'ATP sont produites pour chaque mole de NADH cytosolique plutôt que 1,5 mole d'ATP dans la navette glycérol-phosphate, qui utilise FADH2 en tant que transporteur.


Discussion

Les protéines -baril membranaires intégrales se trouvent dans les MO des bactéries Gram-négatives et des mitochondries. Leur assemblage nécessite une protéine conservée au cours de l'évolution de la famille Omp85, mais des adaptations significatives des machines d'assemblage se sont produites au cours de l'évolution. Les protéines accessoires, c'est-à-dire quatre lipoprotéines dans le cas des bactéries et deux protéines associées à la membrane exposées au cytosol dans les mitochondries, ne présentent aucune similitude de séquence. De plus, le composant de type Omp85 s'est adapté au cours de l'évolution en plus d'un domaine en baril intégré à la membrane, les protéines bactériennes contiennent cinq domaines POTRA exposés au périplasme, tandis que la variante mitochondriale ne contient qu'un seul de ces domaines. Il est à noter qu'il a récemment été démontré qu'un seul domaine POTRA était suffisant pour la fonction Omp85 dans N. meningitidis ( Bos et al. 2007b), mais en E. coli BamA, trois de ces domaines étaient essentiels bien que les deux autres soient également importants pour un fonctionnement optimal ( Kim et al. 2007).

Non seulement les machines d'assemblage mais aussi les signaux qu'elles reconnaissent ont subi des adaptations au cours de l'évolution. De plus, ces signaux sont reconnus par différents composants de la machinerie, c'est-à-dire par Omp85 dans le système bactérien ( Robert et al. 2006) et par Tob38 dans le système mitochondrial ( Kutik et al. 2008). Nous avons récemment démontré que, malgré ces variations, la séquence de signature OMP bactérienne primordiale est toujours correctement reconnue et traitée par la machinerie mitochondriale ( Walther et al. 2009), suggérant que le mécanisme de base de l'assemblage de la protéine -baril pourrait être conservé au cours de l'évolution. Pour tester cette hypothèse, nous avons étudié ici si un OMP mitochondrial, le VDAC, peut être assemblé dans la MO des bactéries, ce qui était effectivement le cas, et il s'est avéré qu'il dépendait d'un complexe Bam fonctionnel. Il est à noter que la structure du VDAC, c'est-à-dire un -baril à 19 brins ( Bayrhuber et al. 2008 Hiller et al. 2008 Ujwal et al. 2008), s'écarte de celles des OMP bactériennes, qui contiennent toutes un nombre pair de brins ( Koebnik et al. 2000). Cependant, cette différence n'empêche apparemment pas l'incorporation de VDAC dans la MO bactérienne. Conformément à cette observation, une forme mutante de porine PhoE dépourvue du brin β transmembranaire N-terminal a été précédemment rapportée comme étant fonctionnellement incorporée dans le E. coli OM (Bosch et al. 1988), démontrant qu'en effet, la machinerie bactérienne Bam peut traiter des barils avec un nombre impair de brins.

L'assemblage efficace de VDAC dans la MO bactérienne dépendait de son signal , qui est également requis pour son assemblage dans la MO mitochondriale ( Kutik et al. 2008). Ainsi, le système bactérien est capable de décoder les signaux évolués dans les OMP mitochondriales même s'ils sont reconnus dans le système mitochondrial authentique par un composant qui n'a pas d'équivalent dans le système bactérien. À des niveaux d'expression très élevés, une forme mutante de VDAC qui manque de cinq résidus d'acides aminés C-terminaux et est donc affectée dans son signal était indétectable à la surface des cellules bactériennes dans les expériences de microscopie par immunofluorescence ( fig. 3B). Cependant, à des niveaux d'expression inférieurs, au moins une partie de la quantité totale de la protéine mutante produite semblait être incorporée dans l'OM (fig. 4A et 5A), démontrant qu'un signal β intact n'est pas absolument essentiel pour l'assemblage OM de VDAC dans E. coli. De même, une séquence de signature C-terminale intacte n'est pas absolument essentielle pour l'assemblage correct d'une OMP bactérienne dans l'OM. Dans des conditions d'expression élevée, une forme mutante de porine PhoE dépourvue du résidu Phe C-terminal n'a pas du tout été incorporée dans le E. coli OM, mais formaient des agrégats périplasmiques denses qui s'agglomèrent avec la fraction membranaire lors de la centrifugation et pouvaient être visualisés dans la cellule par microscopie électronique ( Struyvé et al. 1991 de Cock et al. 1997). Cependant, dans des conditions d'expression inférieures, cette protéine mutante a été assemblée dans l'OM (de Cock et al. 1997). Vraisemblablement, la cinétique d'agrégation inférieure dans des conditions de faible expression augmente le temps nécessaire à la machinerie Bam pour traiter les substrats avec un signal de reconnaissance imparfait. De même, lorsque l'OMP PhoE bactérienne était fortement exprimée dans la levure, elle s'accumulait sous forme d'agrégats dépliés dans les mitochondries, alors qu'elle était efficacement assemblée dans la MO mitochondriale dans des conditions d'expression plus faibles ( Walther et al. 2009).

De plus, la composition lipidique pourrait potentiellement affecter l'assemblage des protéines membranaires intégrales. En effet, le LPS, un composant lipidique abondant de la MO bactérienne, a été impliqué dans la biogenèse des OMP dans E. coli ( Bos et al. 2007a), bien que des mutants viables déficients en LPS de N. meningitidis ont été décrits dans lesquels l'assemblage de l'OMP ne semble pas affecté ( Steeghs et al. 2001). La composition lipidique de la MO bactérienne est, par la présence de LPS et l'absence de stérols, entièrement différente de celle de la MO mitochondriale, mais cette différence n'est apparemment pas un obstacle insurmontable à l'assemblage des VDAC dans la MO bactérienne.

En conclusion, il apparaît que la reconnaissance du signal est suffisamment flexible pour permettre l'assemblage d'une OMP mitochondriale dans la MO bactérienne. Avec l'observation précédente selon laquelle les OMP bactériennes exprimées dans la levure sont assemblées dans la MO mitochondriale ( Walther et al. 2009), ces données permettent de conclure que le mécanisme de base de l'assemblage de la protéine -baril est conservé au cours de l'évolution.