Nathan Patrick Ward
Approuvé : 7 novembre 2016
Résumé
Le métabolisme glycolytique robuste des glioblastomes multiforme (GBM) les a rendus sensibles aux augmentations du métabolisme oxydatif induites par le dichloroacétate (DCA), un mimétique du pyruvate. Des rapports récents montrent que la metformine, un médicament antidiabétique, augmente le stress oxydatif associé au traitement par le DCA dans les cellules cancéreuses. Nous avons cherché à élucider le rôle de l’activité de la metformine en tant qu’inhibiteur du complexe I mitochondrial dans l’augmentation de la cytotoxicité du DCA dans le modèle VM-M3 de GBM. Nous avons démontré que la metformine potentialisait la production de superoxyde induite par le DCA et que cela était nécessaire à l’augmentation de la cytotoxicité envers les cellules VM-M3 avec la combinaison. De même, la roténone a augmenté le stress oxydatif résultant du traitement au DCA, ce qui était également nécessaire pour l’augmentation de la cytotoxicité observée. L’activation de l’adénosine monophosphate kinase (AMPK) n’a pas été observée avec la concentration de metformine nécessaire pour augmenter l’activité du DCA. De plus, l’ajout d’un activateur de l’AMPK n’a pas augmenté la cytotoxicité du DCA, alors qu’un inhibiteur de l’AMPK a augmenté la cytotoxicité de la combinaison. Nous montrons également que le DCA et la metformine réduisent la charge tumorale et prolongent la survie chez les souris porteuses de tumeurs VM-M3 en tant que traitements individuels. Contrairement à nos travaux in vitro, nous n’avons pas observé de synergie entre le DCA et la metformine in vivo. Nos données indiquent que l’amélioration de la cytotoxicité du DCA par la metformine dépend de l’inhibition du complexe I. En particulier, l’inhibition du complexe I coopère avec l’induction de l’oxydation du glucose par le DCA pour augmenter le stress oxydatif cytotoxique dans les cellules VM-M3 GBM. Ces travaux soutiennent la poursuite des recherches et l’optimisation d’une combinaison DCA/metformine en tant que thérapie combinatoire pro-oxydante potentielle pour les GBM.
Mots clés : Métabolisme du cancer, oxydation mitochondriale du glucose, inhibition du complexe I, stress oxydatif, DCA, metformine
Copyright © 2017, Nathan P. Ward
MÉTABOLISME DU CANCER
Résumé du chapitre
Ce chapitre passe en revue les programmes métaboliques employés par les tumeurs pour répondre aux exigences biosynthétiques de la tumorigenèse. Le métabolisme des tumeurs est étroitement lié aux caractéristiques de la maladie et confère aux cellules cancéreuses un avantage de survie en réponse aux contraintes imposées par le microenvironnement tumoral. La compréhension des caractéristiques métaboliques des tumeurs fournit une base pour le ciblage rationnel de ces dépendances métaboliques en tant que stratégie thérapeutique. Les approches actuelles du ciblage du métabolisme du cancer sont également abordées dans ce chapitre.
Altération du métabolisme énergétique
Le cancer est traditionnellement considéré comme une maladie génétique, caractérisée par une instabilité génomique et des mutations fréquentes qui coopèrent pour promouvoir un environnement cellulaire distinct permettant une prolifération débridée (1). Le séquençage génomique des tumeurs a permis d’identifier une multitude de mutations pouvant être ciblées par des médicaments, ce qui a stimulé la recherche et le développement pharmaceutique. Malheureusement, la promesse de résultats précliniques encourageants ne s’est pas souvent traduite par une efficacité clinique. Cette situation a poussé le domaine à prendre en compte d’autres caractéristiques du développement des tumeurs et de la progression de la maladie et à concevoir des stratégies alternatives pour la gestion du cancer (1).
Cette initiative a donné lieu à une nouvelle appréciation de l’activité métabolique distincte des tumeurs (2). Au-delà de la dérégulation du cycle cellulaire et de la perte du contrôle de qualité de l’acide désoxyribonucléique (ADN) qui accompagnent la prolifération des cellules cancéreuses, il existe une demande fondamentale de biomasse. Un réseau complexe de voies métaboliques converge pour générer les blocs de construction moléculaires nécessaires à la biosynthèse (3). Le métabolisme des cellules cancéreuses est câblé de manière à permettre la production continue des nucléotides, des protéines et des membranes lipidiques nécessaires à la prolifération tout en générant l’énergie et le potentiel de réduction nécessaires à la survie des cellules (4). Ces dix dernières années, la recherche sur le métabolisme du cancer a connu une renaissance méthodologique pour caractériser les dépendances métaboliques des cellules cancéreuses et l’intersection entre le métabolisme et la biologie des tumeurs (5-8). Plus important encore, ces travaux ont démontré que le ciblage du métabolisme du cancer peut constituer une alternative thérapeutique durable pour la gestion de cette maladie dévastatrice.
Fermentation aérobie
La notion de métabolisme particulier dans le cancer n’est pas un phénomène récent. Otto Warburg a été le premier à observer une différence distincte dans le métabolisme des tumeurs par rapport aux tissus normaux au début du 20e siècle (9). Warburg a rapporté que les tumeurs absorbaient beaucoup plus de glucose circulant que le tissu normal, et alors que très peu de lactate était généré par le tissu normal, Warburg a calculé que 66% du glucose consommé était converti en lactate par la tumeur. Cela suggère que les tumeurs fermentaient principalement le glucose plutôt que de respirer sur le sucre.
Le glucose est le métabolite énergétique prédominant dans l’organisme, et il est métabolisé préférentiellement par la plupart des tissus. À son entrée dans la cellule, le glucose est métabolisé en pyruvate par la voie d’Embden-Meyerhof, ou voie glycolytique. En général, le pyruvate est ensuite importé dans les mitochondries où il est entièrement oxydé en dioxyde de carbone (CO2) tant que l’oxygène, l’accepteur final d’électrons de la chaîne de transport d’électrons, n’est pas limité. Dans des conditions physiologiques normales, les tissus sont correctement perfusés, ce qui facilite l’apport d’oxygène et permet la respiration mitochondriale du glucose. Dans un contexte de limitation de l’oxygène, comme dans les muscles lors d’un exercice vigoureux, le pyruvate est fermenté en lactate par la lactate déshydrogénase (LDH).
Ce qui est remarquable dans les résultats de Warburg, c’est que les tumeurs étaient bien perfusées et que l’oxygène n’était donc pas limité (9). Par conséquent, les tumeurs fermentaient préférentiellement le pyruvate en lactate dans un environnement aérobie. Cette fermentation aérobie du glucose est maintenant largement reconnue comme un phénotype caractéristique de la plupart des cancers et est maintenant appelée l’effet Warburg (10). En fait, la forte absorption de glucose par les tumeurs est à la base de la tomographie par émission de positrons au fluorodésoxyglucose (FDG-PET) (11).
D’un point de vue bioénergétique, la dépendance au métabolisme glycolytique semble contre-intuitive pour une prolifération robuste. La production de la biomasse nécessaire à la division cellulaire dépend en partie de l’énergie potentielle stockée dans l’adénosine triphosphate (ATP), un sous-produit de certaines réactions cataboliques. La glycolyse est plutôt inefficace sur le plan énergétique, puisqu’elle ne génère que 2 moles (mol) d’ATP par mole de glucose, alors que l’oxydation complète du glucose produit environ 36 mol d’ATP/mol de glucose. Pourtant, les cellules cancéreuses qui présentent ce métabolisme de Warburg ne souffrent pas d’un déficit en ATP (12). La conversion du pyruvate en lactate par la LDH est couplée à l’oxydation du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) réduit en sa forme oxydée, le NAD+ . La régénération du NAD+ maintient un rapport NAD+ /NADH cytosolique élevé qui permet un flux glycolytique rapide, car l’enzyme glycolytique glyceraldehyde phosphate dehydrogenase (GAPDH) a besoin du NAD+ comme cofacteur.
Métabolisme mitochondrial
Sur la base de son observation originale, Warburg a émis l’hypothèse que la fermentation aérobie dans les tumeurs était le résultat d’une insulte irréversible à la capacité oxydative qui empêchait les cellules cancéreuses de tirer suffisamment d’énergie du métabolisme oxydatif (13). Des preuves suggèrent que la production d’ATP n’est pas une fonction nécessaire des mitochondries cancéreuses, cependant le métabolisme mitochondrial est critique pour la prolifération des cellules cancéreuses (14). En principe, la production abondante de lactate résultant de l’effet Warburg pourrait limiter le flux de pyruvate dans la mitochondrie, où il est facilement métabolisé en acétyl coenzyme A (acétyl-CoA) et en CO2 par le complexe pyruvate déshydrogénase (PDH).
L’acétyl-CoA est un transporteur de carbone essentiel qui est largement utilisé dans le métabolisme central du carbone. L’acétyl-CoA est nécessaire au flux continu du cycle de l’acide citrique (TCA), qui génère les équivalents réducteurs NADH et le Flavin adénine dinucléotide réduit (FADH2). Ces équivalents réducteurs sont oxydés par des complexes protéiques dans ou associés à la membrane mitochondriale interne (IMM) dans des réactions qui couplent la libération d’électrons avec le mouvement des protons (H+ ) de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire. Le mouvement de ces électrons à travers les complexes protéiques suivants, qui constituent collectivement la chaîne de transport d’électrons (ETC), est également couplé au mouvement de H+ à travers l’IMM. La translocation de ces H+ génère une force motrice protonique et un potentiel membranaire à travers l’IMM. L’ATP synthase exploite cette force motrice protonique pour coupler le mouvement de retour des H+ dans la matrice avec la génération d’ATP à partir d’adénine diphosphate (ADP) et de phosphate inorganique (Pi).
En plus de fournir les équivalents réducteurs pour la phosphorylation oxydative, les intermédiaires du cycle TCA sont importants pour la biosynthèse de macromolécules critiques. Une réduction du flux de glucose-carbone à travers le complexe PDH limiterait donc le cycle TCA et diminuerait les niveaux des intermédiaires du cycle TCA. Les cellules cancéreuses, notamment en culture, ont régulé à la hausse le métabolisme de la glutamine pour compenser les déficits du flux de carbone du glucose à travers le cycle TCA (15). La glutamine est un acide aminé anaplérotique qui est converti en glutamate dans la mitochondrie par la glutaminase (GS). Le glutamate peut ensuite être désaminé en ⍺-cétoglutarate (⍺-KG), un intermédiaire du cycle TCA. l’⍺-KG peut alors contribuer à la reconstitution des intermédiaires ultérieurs par un flux traditionnel à travers le cycle ou être converti en isocitrate, un métabolite en amont, par une carboxylation réductrice médiée par l’isocitrate déshydrogénase 2 (IDH2).
Dans certaines espèces tumorales, la leucine et la valine, des acides aminés à chaîne ramifiée (BCAA), peuvent être utilisés comme substrats anaplérotiques (5). De plus, le carbone du glucose peut entrer dans le cycle TCA de manière indépendante de la PDH par l’intermédiaire de la pyruvate carboxylase (PC), qui convertit le pyruvate cytosolique en oxaloacétate. Cet oxaloacétate est ensuite converti en malate par la malate déshydrogénase (MDH). Le malate peut être absorbé dans la mitochondrie par la navette malate-aspartate et être incorporé dans le cycle TCA. Ensemble, ces voies fournissent des moyens alternatifs pour maintenir la fonction TCA.
L’avènement du traçage des métabolites marqués aux isotopes a démontré que la fermentation aérobie ne limite pas totalement l’oxydation du glucose, le traçage du flux métabolique du 13C-glucose montre plutôt une fermentation et une oxydation simultanées du carbone du glucose dans certains cancers (16). Le métabolisme énergétique cellulaire dépend du mouvement régulé des électrons entre les intermédiaires métaboliques et les cofacteurs enzymatiques par une série de réactions d’oxydo-réduction (redox). Des preuves récentes suggèrent que l’oxydation mitochondriale est essentielle à la prolifération cellulaire, indépendamment de la génération d’ATP.
La stimulation de l’activité de l’ETC par l’oxydation des équivalents réducteurs favorise l’équilibre redox par la régénération du NAD+ et du Flavin adénine dinucléotide (FAD+ ) oxydé, qui sont des accepteurs d’électrons essentiels. Les accepteurs d’électrons sont nécessaires à un flux métabolique continu, en particulier lorsqu’il s’agit de répondre aux exigences biosynthétiques d’une prolifération rapide (17). L’oxygène sert d’accepteur d’électrons terminal dans le métabolisme oxydatif et cette réduction de l’oxygène est considérée comme l’aspect le plus vital du métabolisme oxydatif mitochondrial pour les cellules en prolifération (18). Il est également démontré que l’acide aminé aspartate sert d’accepteur d’électrons essentiel à la prolifération (17, 18).
Le maintien du potentiel membranaire mitochondrial (ΔΨm) dépend généralement du flux continu et régulé d’électrons à travers l’ETC résultant du métabolisme oxydatif. La préservation du ΔΨm est essentielle à la capacité proliférative des cellules, indépendamment de son couplage à la production d’ATP (19). En fait, les mitochondries cancéreuses sont souvent hyperpolarisées, ce qui suggère un flux inefficace de H+ en retour dans la matrice aux fins de la génération d’ATP (20).
Outre le glucose, les acides gras peuvent servir de substrat au métabolisme oxydatif mitochondrial. La bêta-oxydation des acides gras (FAO) produit de l’acétyl-CoA, qui est incorporé dans le cycle TCA, et du NADH et du FADH2 pour le transport des électrons et la génération potentielle d’ATP. Il est démontré que la FAO est essentielle à la survie et à la croissance dans des conditions de stress métabolique (21). Certaines hématopoïétiques malignes présentent une augmentation de la FAO (22, 23). Les lymphomes diffus à grandes cellules B (DLBCL) semblent dépendre largement de la FAO pour maintenir les niveaux d’ATP cellulaire. En revanche, les cellules leucémiques présentent souvent une augmentation de la FAO qui est associée à la prévention de l’accumulation toxique d’acides gras (21). De plus, certaines cellules leucémiques ont besoin de la FAO pour maintenir l’équilibre redox cytosolique sous la forme d’une génération de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH) réduite et dépendante du citrate.
Maintien de l’équilibre redox
Comme mentionné plus haut, le métabolisme cellulaire dépend du mouvement coordonné des électrons à travers les métabolites intermédiaires et de l’état d’oxydation des principaux transporteurs d’électrons. Les cellules exploitent le pouvoir réducteur du NADH et du NAPDH pour les réactions cataboliques et biosynthétiques nécessaires à leur croissance et à leur viabilité. Les rapports NAD+ /NADH et nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+ )/NADPH oxydés sont des indicateurs de l’état redox de la cellule. Le flux métabolique et l’activité des enzymes métaboliques bidirectionnelles dépendent de l’état de ces ratios. L’état redox de la cellule est compartimenté au sein des organites, car il existe des mécanismes métaboliques distincts pour réguler les rapports NAD+ /NADH et NADP+/NADPH dans le cytosol et la matrice mitochondriale par exemple. Cependant, ces mécanismes ne sont pas complètement indépendants les uns des autres, car il existe des mécanismes d’échange de métabolites entre les compartiments qui facilitent la modification de ces rapports.
Le maintien du rapport NAD+/NADH est principalement assuré dans le cytosol par la glycolyse et par le cycle TCA dans la matrice mitochondriale. Comme mentionné précédemment, les cellules cancéreuses présentent une activité LDH accrue, qui recycle le NADH généré par la glycolyse en NAD+, facilitant le flux glycolytique rapide associé au métabolisme de Warburg (4). La navette du pyruvate entre le cytosol et la matrice relie les pools NAD+/NADH des deux compartiments et est étroitement régulée dans le cancer (24).
Le NADPH fournit le pouvoir réducteur nécessaire à la biosynthèse et constitue un élément essentiel de la capacité antioxydante cellulaire, deux aspects qui seront examinés en détail plus loin dans cette revue. Le NADPH cytosolique est généré par deux réactions enzymatiques dans la voie des pentoses phosphates (PPP), via la conversion du malate en pyruvate par l’enzyme malique (ME) et l’oxydation de l’isocitrate en ⍺-KG par IDH1. L’échange de citrate entre la matrice et le cytosol relie les pools de NADPH des deux compartiments. Il est démontré que la carboxylation réductrice de la glutamine contribue aux pools cytosoliques de NADPH par l’intermédiaire du citrate, qui peut être métabolisé en oxaloacétate par la citrate lyase, puis en malate via la MDH. Finalement, ce malate dérivé du citrate est converti en pyruvate par la ME, générant du NADPH (25, 26). le traçage de la 13C-glutamine a démontré qu’une fraction significative du NADPH mitochondrial est dérivée du métabolisme des folates (27, 28). D’autres facteurs contribuant au pool de NADPH de la matrice sont IDH2 et l’enzyme nicotinamide nucléotide transhydrogénase (NNT) associée à l’IMM, qui exploite la force motrice protonique à travers l’IMM et le pouvoir réducteur du NADH pour générer du NADPH.
L’état redox cellulaire est également affecté par le stress oxydatif, un sous-produit naturel du métabolisme. Le stress oxydatif est causé par la génération de radicaux libres hautement réactifs contenant de l’oxygène ou de l’azote (ROS, RNS) qui présentent un large éventail de fonctions biologiques, qu’elles soient entretenues par les cellules ou cytotoxiques. Par exemple, le transport des électrons n’est pas un processus totalement efficace. Des électrons peuvent être libérés prématurément de l’ETC pour réduire l’oxygène moléculaire en anion superoxyde (-O2 – ). Cela se produit du côté de la matrice de l’IMM au niveau du complexe I (NADH déshydrogénase) et du complexe II (succinate déshydrogénase) du CTE. De plus, -O2 – peut être généré à la fois du côté de la matrice et de l’espace intermembranaire (IMS) de l’IMM au niveau du complexe III (coenzyme Q : cytochrome c oxydoréductase). -L’ -O2 – peut également être généré dans le cytosol et la matrice par un processus dépendant du NADPH catalysé par les NADPH oxydases (NOX).
En présence d’oxyde nitrique (NO), un sous-produit du métabolisme de l’arginine, le superoxyde contribue à la formation de l’ion très réactif peroxynitrite (ONOO- ). De plus, cet ONOO- peut être dismuté en peroxyde d’hydrogène (H2O2) par les superoxydes dismutases (SOD). Le H2O2 peut ensuite être détoxifié en eau par un certain nombre de systèmes enzymatiques. Les peroxiredoxines (PRX) subissent une oxydation médiée par H2O2 qui initie un cycle catalytique dans lequel la thiorédoxine (TRX), la thiorédoxine réductase (TrxR) et le NADPH coopèrent pour régénérer les PRX réduites. Les glutathion peroxydases (GPX) utilisent le glutathion réduit (GSH) pour détoxifier le H2O2. La glutathion réductase utilise ensuite le NADPH pour convertir le glutathion oxydé (GSSG) en GSH. Enfin, la catalase peut également convertir le H2O2 en eau. Par ailleurs, en présence d’ions ferreux (Fe2+) ou cuivriques (Cu+), H2O2 peut générer un radical hydroxyle (-OH) par le biais de réactions de Fenton.
Collectivement, ces enzymes détoxifiantes contribuent à la capacité antioxydante de la cellule, qui empêche l’accumulation des radicaux libres qui potentialisent le stress oxydatif. La régulation transcriptionnelle de ces enzymes est contrôlée par le maître régulateur de la machinerie antioxydante cellulaire, le facteur nucléaire analogue 2 (Nrf2). L’activité du Nrf2 est stimulée par le stress oxydatif, ce qui entraîne la régulation à la hausse d’une multitude d’enzymes détoxifiantes et un programme métabolique qui renforce la capacité antioxydante. L’équilibre entre la génération de ROS et de RNS et la détoxification des antioxydants influence grandement la fonction et la viabilité des cellules et constitue un élément essentiel de la tumorigenèse (29).
Conséquences du métabolisme du cancer
Les tumeurs existent en tant que population hétérogène de cellules soumises à de fortes pressions de sélection qui entraînent une réponse évolutive. Les mutations acquises au cours de la tumorigenèse doivent soit conférer un avantage de survie, soit permettre passivement une prolifération débridée (1, 2). Les tumeurs sont soumises aux contraintes de la sélection naturelle et les mutations qui réduisent l’aptitude des cellules cancéreuses sont finalement rejetées (30). Étant donné que l’altération du métabolisme cellulaire est une caractéristique constante du cancer, il doit y avoir un avantage de survie associé au métabolisme des cellules néoplasiques. Je décris ici les conséquences du métabolisme cancéreux qui procurent un avantage de survie aux cellules cancéreuses et contribuent à la progression de la maladie.
RÉFÉRENCES
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