Études des mécanismes d’adaptation du métabolisme énergétique dans le syndrome de Leigh de type canadien français : vers l’identification des cibles thérapeutiques

Le syndrome de Leigh de type canadien français (LSFC) est une maladie mitochondriale infantile causée par des mutations dans le gène LRPPRC entraînant une diminution tissu-spécifique de la cytochrome c oxydase (COX) et des crises d’acidose lactique fatales qui surviennent lors d’un stress énergétique. Malheureusement, les facteurs sous-jacents à l’apparition de ces crises demeurent inconnus. Ainsi, l’objectif principal de cette étude est de mieux comprendre la physiopathologie du LSFC en investiguant les mécanismes d’adaptation du métabolisme énergétique. Nous avons précédemment démontré que la déficience en COX dans les fibroblastes de patients LSFC était, d’une part, associée à une altération de la phosphorylation oxydative (OXPHOS) alors que ces cellules exhibent des taux d’ATP inchangés. D’autre part, ces cellules LSFC sont plus susceptibles à la mort lorsqu’incubées avec une combinaison de 10 mM de lactate et de 1 mM de palmitate (LP), un modèle de surcharge en nutriments mimant les crises chez les patients. Nous avons alors émis l'hypothèse que, premièrement, les cellules LSFC arboreraient une reprogrammation métabolique sous le contrôle du complexe 1 de la « mamalian Target Of Rapamycin » ou mTORC1, permettant une synthèse extra mitochondriale d’ATP. Deuxièmement, un défaut d’activation du senseur énergétique, la protéine kinase activée par l’AMP ou AMPK, contribuerait à la plus grande susceptibilité des cellules LSFC au LP.  Nos résultats montrent qu’en conditions basales la voie Akt/mTORC1/p70-S6K est surexprimée dans les cellules LSFC par rapport aux cellules témoins. Ceci est associé à une augmentation de l’expression du facteur inductible par l’hypoxie (HIF-1α) et de sa cible la pyruvate déshydrogénase kinase 1 (PDHK1), un inhibiteur de l'oxydation mitochondriale des glucides via la PDH1 qui est d’ailleurs inhibée dans les cellules LSFC. En accord avec ces observations, nos résultats métabolomiques montrent que la contribution du glucose à la formation du pyruvate, de l’alanine et du lactate est élevée dans les cellules LSFC comparativement aux cellules témoins. De manière inattendue, l’inhibition de mTORC1 par la rapamycine n’a aucun effet significatif sur l’expression de HIF-1α et de PDHK1, ni sur les taux d’ATP dans les cellules LSFC. Par contre, la rapamycine augmente l’inhibition de PDH1 et réduit l’expression de LRPPRC et de COX dans ces cellules LSFC. Ces données soutiennent pour la première fois une possible régulation de LRPPRC par mTORC1.  Nous avons également étudié la voie AMPK en réponse à différents stress. L’AMPK est activable en réponse au 2,4-dinitrophénol aussi bien dans les cellules témoins que les cellules LSFC. Le stress nutritionnel LP ne diminue pas les niveaux d’ATP; mais induit la phosphorylation de l’AMPK, la surexpression de SIRT1, COXIV et LRPPRC dans les cellules témoins. Un prétraitement au ZMP, un analogue de l’AMP et activateur de l’AMPK, augmente encore plus les effets observés avec le LP. Tous ces changements en réponse au LP sont abolis dans les cellules LSFC. De façon intéressante, le traitement de nos cellules avec le 2-bromopalmitate, un analogue non métabolisable du palmitate, n’induit pas la phosphorylation de l’AMPK même dans les cellules témoins. Ces résultats suggèrent que le métabolisme du palmitate est requis pour l’activation de l’AMPK et que celui-ci est altéré dans les cellules LSFC. En conclusion, les cellules LSFC présentent une reprogrammation métabolique de type effet Warburg. mTORC1 ne joue pas de rôle clé dans le maintien de niveaux d’ATP, mais son activation est primordiale pour l’expression de LRPPRC et COX. Par ailleurs, les mécanismes de défense via l’AMPK en réponse au stress, notamment nutritionnel, semblent altérés dans les cellules LSFC.

Keyphrases: LSFC, LRPPRC, COX, mTOR, Rapamycin, AMPK, SIRT1, Palmitate, Rapamycine