Frontiers in Neuroscience

Introduction

Au XIXe siècle, ≈80 ans après la découverte du lactate (La−) par Scheele (Kompanje et al., 2007), Louis Pasteur a remarqué que les cellules de levure facultatives croissaient plus en conditions aérobies qu’en conditions anaérobies, mais la consommation de sucre était diminuée et la fermentation en alcool était moins en conditions aérobies (Pasteur, 1861). Auparavant, Pasteur (1858) avait reconnu que certains types de levure fermentaient le sucre à La − dans des conditions anaérobies, mais pas aérobies. Ce phénomène (pour l’alcool et la fermentation) a été appelé l’effet Pasteur (Barnett et Entian, 2005). Un phénomène parallèle a été découvert chez le muscle squelettique et les animaux entiers. Pour le muscle squelettique, Fletcher et Hopkins (1907) ont rapporté que La− s’accumulait dans les muscles anaérobies des grenouilles au repos. Pendant la stimulation, la concentration en La () a augmenté rapidement dans le muscle anaérobie des amphibiens, mais a disparu lorsque ces muscles fatigués ont été autorisés à récupérer dans un environnement riche en oxygène (O2). Par la suite, Meyerhof a démontré de manière concluante que le glycogène était le précurseur de La− dans les muscles isolés, et la voie glycolytique complète a été élucidée au début des années 1940 (Meyerhof, 1942; Brooks et Gladden, 2003). Le dogme traditionnel a été construit sur ce cadre et d’autres recherches sur l’hypoxie: Le pyruvate est le produit final de la glycolyse dans des conditions aérobies et La- est le produit final lorsque l’O2 est insuffisant. Schurr (2006) a discuté de ce dogme du point de vue du métabolisme cérébral.

Il est largement admis que des valeurs de PO2 intracellulaires de ≈0,5 Torr ou moins entraînent une phosphorylation oxydative limitée à O2, une condition appelée dysoxie (Connett et al., 1990), avec la production et l’accumulation qui en découlent. Cependant, Stainsby et Welch (1966) ont signalé un efflux de La provenant d’un muscle contractant apparemment bien oxygéné. Par la suite, Jöbsis et Stainsby (1968) ont observé la production et la libération de La par un muscle squelettique canin contractant alors que le couple redox NAD+/NADH devenait plus oxydé, ce qui indique un apport adéquat en O2. En utilisant une approche différente, la cryomicrospectroscopie de la myoglobine, pour déterminer la PO2 dans le muscle gracilis du chien se contractant progressivement plus rapidement, Connett et al. (1986) ont constaté une augmentation de l’efflux de La sans preuve de dysoxie; les valeurs de PO2 les plus basses étaient généralement de l’ordre de 2 Torr. Richardson et coll. (1998) ont utilisé la spectroscopie de résonance magnétique des protons (MRS) pour déterminer la saturation de la myoglobine (et donc le PO2 intracellulaire) chez l’homme pendant un exercice graduel. Dans des expériences parallèles avec le même type d’exercice, l’efflux de La a été déterminé par les différences de concentration artérioveineuse et le flux sanguin. Ils ont trouvé La-efflux en présence de niveaux intracellulaires de PO2 (~ 3 Torr) qui ne devraient pas limiter la phosphorylation oxydative. Véga et coll. (1998) ont également rapporté que le tissu nerveux isolé stimulé libère du lactate pendant les conditions aérobies.

Ces résultats, ainsi que d’autres preuves circonstancielles abondantes, indiquent que la production nette de La et l’efflux des cellules peuvent se produire dans des conditions aérobies (Gladden, 2004a, b). En fait, Brooks (2000) a proposé que « le lactate était produit tout le temps dans des cellules et des tissus entièrement oxygénés. »Schurr (2006) a discuté de cette proposition en détail, proposant que « la glycolyse passe toujours à son étape finale, la réaction de LDH et la formation de lactate” dans le tissu cérébral, mais très probablement aussi dans de nombreux autres tissus. Par la suite, Schurr et Payne (2007) et Schurr et Gozal (2012) ont fourni des preuves expérimentales à l’appui de ce postulat dans les tranches de cerveau de l’hippocampe. Ici, nous adoptons ce concept, proposant que même en l’absence d’accumulation nette de La− et en présence d’O2 abondant, La− est le produit final naturel de la glycolyse. Il est important de noter que nous utilisons des principes biochimiques de base pour étayer ce concept et réintroduire la navette du lactate du Cytosol aux mitochondries.

La réaction de LDH est une Réaction Proche de l’Équilibre

La− se forme dans la réaction suivante catalysée par l’enzyme lactate déshydrogénase (LDH) :

La constante d’équilibre est fortement en faveur de La− (1,62 × 1011 M−1) (Lambeth et Kushmerick, 2002) et l’activité de la LDH est élevée par rapport aux enzymes régulatrices putatives de la voie glycolytique dans le muscle squelettique (Connett et Sahlin, 2011), le foie, les reins, le muscle cardiaque, la rate et la graisse (Shonk et Boxer, 1964), le cerveau (Iwangoff et al., 1980; Morland et coll., 2007), et les tumeurs mammaires malignes et bénignes (Larner et Rutherford, 1978; Balinsky et al., 1984). Il est important de noter que l’activité de la LDH est également élevée par rapport aux enzymes régulatrices présumées de l’oxydation des pyruvates; voir Spriet et al. (2000) pour le muscle squelettique, Morland et al. (2007) pour le cerveau, et Marie et Shinjo (2011) pour le cancer du cerveau. Alors que les mesures des rapports tissulaires La−sur pyruvate sont rares, certains exemples de valeurs sont ≈7:1 pour le foie (Liaw et al., 1985), ≈10-13:1 pour le muscle squelettique au repos (Sahlin et al., 1976; Liaw et coll., 1985), et des valeurs aussi élevées que 159:1 dans le muscle squelettique immédiatement après un exercice dynamique exhaustif (Sahlin et al., 1976). Les valeurs de référence pour le rapport La/pyruvate dans le cerveau, à l’aide de sondes de microdialyse, sont en moyenne de 23:1 (Reinstrup et al., 2000; Sahuquillo et coll., 2014). Typiquement, le rapport augmente après une lésion cérébrale traumatique, même en l’absence d’ischémie ou de PO2 tissulaire faible {≥ 25 (Sahuquillo et al., 2014); ≥40 (Vespa et al., 2005)}. Malgré la normalisation des techniques, les valeurs de microdialyse ne reflètent pas nécessairement les concentrations tissulaires réelles (Sahuquillo et al., 2014). Néanmoins, ces valeurs de microdialyse de La−à pyruvate pour le cerveau humain ne sont pas très éloignées des valeurs (≈13:1) obtenues sur des homogénats de cerveau de rat (Ponten et al., 1973). Dans l’ensemble, le niveau élevé par rapport à même avec un approvisionnement adéquat en O2 renforce le rôle de l’activité LDH dans la détermination de l’apparence de La. L’activité élevée de la LDH et la constante d’équilibre de la réaction de la LDH sont des éléments clés dans la proposition que La− est le principal produit final de la glycolyse dans essentiellement toutes les conditions métaboliques. En termes simples, chaque fois que la glycolyse est opérationnelle, quelle que soit la tension locale de l’oxygène, La − se forme dans la plupart des types de tissus. Cependant, la quantité de La produite et réellement accumulée (c’est−à-dire une augmentation) peut être modifiée par des facteurs tels que la tension d’O2, le taux métabolique, l’activité mitochondriale disponible et d’autres facteurs.

Destin du pyruvate

Les destins potentiels du pyruvate sont énumérés ci-dessous. Nous proposons qu’aucun de ces processus ne se produise à un rythme qui corresponde à la conversion initiale du pyruvate en La−, garantissant ainsi que La− est toujours le produit final de la glycolyse.

1. Efflux de la cellule principalement via des transporteurs de monocarboxylates (MCT). Cependant, La- est toujours présente à une concentration plus élevée que le pyruvate et quittera les cellules plus rapidement que le pyruvate.

2. Conversion en alanine via la réaction d’alanine aminotransférase proche de l’équilibre qui a une constante d’équilibre d’environ 1 (Tiidus et al., 2012), la concentration en alanine devrait donc se rapprocher de la concentration en pyruvate et la conversion du pyruvate en alanine ne devrait pas nuire à la conversion du pyruvate en La−.

3. Réactions gluconéogènes / glyconéogènes. Dans les tissus gluconéogènes, le pyruvate peut être converti en oxaloacétate dans une réaction catalysée par la pyruvate carboxylase (Pascoe et Gladden, 1996). Dans la glyconéogenèse du muscle squelettique, le pyruvate peut être converti en malate par catalyse par une enzyme malique (Pascoe et Gladden, 1996) ou plus susceptible de phosphoénolpyruvate par inversion de la réaction de la pyruvate kinase (Donovan et Pagliassotti, 2000). Ces réactions représentent une « inversion » de la glycolyse et elles commencent par La−, le produit final naturel de la glycolyse. Dans le cerveau, le glycogène est le plus abondant dans les astrocytes et clairsemé à négligeable dans les neurones (Cataldo et Broadwell, 1986). Bien que la pyruvate carboxylase soit exprimée dans les cellules astrogliales en culture, les oligodendrocytes, les cellules microgliales et les épendymocytes (Murin et al., 2009), nous ne connaissons aucune information sur la capacité de l’une de ces cellules à synthétiser du glycogène à partir de La−.

4. Transport à travers la membrane interne mitochondriale avec conversion ultérieure en Acétyl-CoA via la réaction de pyruvate déshydrogénase (PDH) suivie de l’entrée dans le cycle de l’acide tricarboxylique et de l’oxydation. Le pyruvate traverse la membrane mitochondriale interne par diffusion simple et diffusion facilitée; les transporteurs sont un TCM (Hashimoto et al., 2006) et le porteur du pyruvate mitochondrial (Divakaruni et Murphy, 2012). Pour l’oxydation continue du pyruvate, la navette du NADH dans la matrice mitochondriale par les navettes malate-aspartate et phosphate de glycérol est tout aussi importante que le transport du pyruvate.

La présence constante de La- et son accumulation pendant les périodes de stimulation glycolytique sont la preuve que la réaction de LDH prédomine sur ces destins alternatifs du pyruvate.

La figure 1 illustre un modèle de métabolisme intracellulaire que nous appelons la  » Navette du lactate du Cytosol aux Mitochondries”; son origine peut être attribuée à une revue du métabolisme de La par Stainsby et Brooks (1990). En raison de l’activité élevée de la LDH et d’une constante d’équilibre loin dans la direction de La−, La− est toujours le résultat prédominant de la glycolyse. Cependant, la formation de La- n’est pas synonyme d’accumulation de La− et d’augmentation. Les mitochondries constituent un puits pour le pyruvate et dans des conditions d’activité glycolytique lente avec beaucoup d’O2, l’oxydation dans la plupart des cellules est suffisante pour correspondre étroitement à la production par glycolyse; le flux La transmembranaire variera entre une libération lente et une absorption lente, la libération étant la condition la plus typique. D’une manière analogue à la créatine kinase et à la navette phosphocréatine, la LDH maintient le pyruvate et La− en équilibre dans tout le cytosol cellulaire. Dans ce scénario, La- est l’espèce primaire qui se déplace vers le voisinage du réticulum mitochondrial, probablement vers l’espace intermembranaire où la LDH est attachée au côté externe de la membrane mitochondriale interne (Hashimoto et al., 2006; Gladden, 2008). Ici, La- est convertie en pyruvate pour entrer dans les mitochondries, étant donné le « puits” relatif pour le pyruvate. Simultanément, le NADH est régénéré à partir de l’inversion de la réaction de LDH et sa paire d’électrons est acheminée à travers la membrane mitochondriale interne par les navettes malate-aspartate et phosphate de glycérol. Une différence importante avec la navette phosphocréatine est que deux composants clés, La− et le pyruvate, contrairement à la phosphocréatine, peuvent traverser la membrane plasmique et quitter la cellule.

Le paradigme Cytosol-mitochondrie postule que La- se forme toujours pendant la glycolyse, même si La-ne s’accumule pas et est stable. Bien sûr, si l’O2 est si faible que la phosphorylation oxydative est inhibée, la production de La dépassera la vitesse à laquelle le métabolisme oxydatif peut utiliser le pyruvate et le NADH, provoquant une augmentation de l’efflux de La. De plus, si l’activité glycolytique augmente même avec des niveaux élevés d’O2, comme dans le muscle squelettique se contractant à une intensité modérée ou peut−être dans les astrocytes activés (Pellerin et Magistretti, 2011), la production de La ne sera pas compensée par l’oxydation du pyruvate et augmentera de même que le transport de La − hors de la cellule. De même, si l’activité enzymatique glycolytique est améliorée et / ou si la fonction mitochondriale (activité enzymatique oxydative) est régulée à la baisse de sorte que la glycolyse est favorisée par rapport à l’oxydation, il y aura un décalage continu entre la production de La et l’oxydation ultérieure du pyruvate et du NADH, entraînant une augmentation et un efflux de La. Cette dernière situation est observée dans les cellules cancéreuses de « Warburg” (Semenza, 2008) et chez les patients atteints de BPCO lors d’exercices corporels entiers in vivo (Maltais et al., 1996).

Avec l’entraînement d’endurance, le contenu mitochondrial du muscle squelettique est augmenté (Holloszy et Coyle, 1984), et il y a maintenant un puits plus grand pour le pyruvate. L’activité oxydante mitochondriale accrue nécessite des niveaux inférieurs de stimulateurs (par exemple, ADP) pour un taux de phosphorylation oxydative particulier; ces mêmes stimuli sont des stimulateurs allostériques des enzymes glycolytiques clés, ce qui réduit la glycolyse. De plus, si le transport de La-membrane est inhibé, en particulier dans les cellules qui présentent déjà un décalage dans lequel la glycolyse est favorisée par rapport au métabolisme oxydatif, il est probable que le cellulaire se lève avec des effets potentiellement délétères sur la cellule (Le Floch et al., 2011). De plus, une forte inhibition de l’activité totale de la LDH dans les cellules glycolytiques devrait empêcher l’équilibre et réduire ainsi la production, l’accumulation et l’efflux de La (Fantin et al., 2006). Cependant, l’effet de la modification du profil d’isozyme de la LDH indépendamment de l’inhibition ou de la réduction de l’activité totale de la LDH n’est pas encore complètement résolu (Downer et al., 2006).

Orientations futures: Influence de l’isoforme de la LDH et Applications au métabolisme tumoral

Quel impact l’isoforme de la LDH a-t-elle et comment ces connaissances pourraient-elles être appliquées au traitement de maladies à métabolisme altéré, comme les cancers?

Premièrement, la LDH est une enzyme tétramérique composée de deux sous-unités protéiques totalisant environ 135 kDa (Cahn et al., 1962). Le tétramère peut s’assembler en cinq isoenzymes distinctes en formant toutes les combinaisons de la forme M (muscle) (produit du gène Ldh-A) ou de la forme H (cœur) (produit du gène Ldh-B) produisant : M4 (=A4=LDH5), M3H1 (=A3B1=LDH4), M2H2 (=A2B2=LDH3), M1H3 (=A1B3=LDH2) et H4 (=B4=LDH1). Les résultats d’études in vitro indiquent des propriétés cinétiques différentes en ce qui concerne l’affinité et l’inhibition du substrat parmi ces isozymes. Les isoenzymes dominées par M ont des valeurs Km 3,5 à 7 fois plus élevées pour le pyruvate et La− que les formes dominées par H. De plus, les types H4 sont inhibés par le pyruvate à des concentrations supérieures à ~ 0,2 mM tandis que les types M4 sont peu affectés par des concentrations de pyruvate aussi élevées que 5 mM (Plagemann et al., 1960; Stambaugh et Post, 1966; Quistorff et Grunnet, 2011b). L’isozyme H4 est inhibé par au-dessus de 20-40 mm tandis que l’isozyme M4 est moins inhibé par high (Stambaugh et Post, 1966). Ces points ont été proposés comme preuve de différences fonctionnelles dans le métabolisme cellulaire de divers tissus, les formes cardiaques favorisant l’oxydation tandis que les formes musculaires facilitent la formation de La− (Cahn et al., 1962). La distribution de l’isozyme de la LDH présente dans la nature correspond à ces caractéristiques déterminées in vitro. Par exemple, les fibres musculaires squelettiques de type II à contraction rapide et glycolytique ont une plus grande proportion d’isozyme de LDH de type M alors que les muscles squelettiques de type I à contraction lente et oxydative ainsi que le muscle cardiaque ont une plus grande proportion d’isozyme de LDH de type H (Van Hall, 2000). De manière congruente, l’entraînement par exercice d’endurance diminue la proportion de l’isozyme LDH de type M dans les muscles entraînés (Van Hall, 2000). Dans le cerveau, les astrocytes (qui sont supposés avoir un métabolisme glycolytique plus élevé), ont une plus grande proportion de l’isozyme LDH de type M, tandis que les neurones (dont on affirme avoir un métabolisme oxydatif plus élevé), ont une plus grande proportion de l’isozyme LDH de type H (Schurr, 2006; Pellerin et Magistretti, 2011). Dans les tumeurs, les cellules glycolytiques de type « Warburg” ont une plus grande proportion d’isozyme de LDH de type M tandis que les cellules cancéreuses plus oxydantes ont une plus grande proportion d’isozyme de LDH de type H (Semenza, 2008). Ainsi, la preuve circonstancielle des schémas de distribution des isozymes de la LDH coïncide avec la fonction perçue des isozymes de la LDH telle que déterminée in vitro.

Les preuves citées ci-dessus ont conduit à la conclusion que le modèle d’isozyme de la LDH est un facteur causal du métabolisme de La. Pour mieux élucider le rôle de la répartition des isozymes de la LDH en tant que coordinateur du métabolisme de La, Summermatter et al. (2013) ont entrepris une étude pour tester le rôle du récepteur activé par le proliférateur du peroxysome – coactivateur γ 1α (PGC-1α) en tant que régulateur de l’expression du sous-type d’isozyme de la LDH. PGC-1α est connu pour être important dans la coordination du métabolisme énergétique cellulaire (Wu et al., 1999). En réponse à une variété de stimuli, PGC-1α stimule la biogenèse mitochondriale, favorise la transition du muscle squelettique vers un phénotype plus oxydatif et contribue à une altération du métabolisme des glucides et des lipides (Liang et Ward, 2006).

Summermatter et coll. (2013) ont étudié des souris transgéniques PGC-1α spécifiques aux muscles ainsi que des souris knockout PGC-1α spécifiques aux muscles et ont constaté (1) une diminution du sang chez les animaux transgéniques et une augmentation du sang chez les animaux knockout en réponse à un exercice d’endurance, et (2) une expression réduite de la LDH de type M chez les animaux transgéniques et une diminution de la LDH de type H chez les animaux knockout. Ces auteurs ont conclu, comme leur titre l’affirme, que « le muscle squelettique PGC-1 α contrôle l’homéostasie de La du corps entier par l’activation α-dépendante du récepteur lié aux œstrogènes de la LDH B et la répression de la LDH A.”À leur avis, le modèle d’isozyme de la LDH est un acteur majeur dans le métabolisme du corps entier de La -.

Cependant, il existe des avertissements sous-appréciés concernant les fonctions des isozymes de la LDH et leurs rôles potentiels dans le métabolisme. Tout d’abord, les propriétés cinétiques susmentionnées pour les isoformes de LDH ont été déterminées in vitro à 20 ou 25 °C, et les valeurs Km pour le pyruvate augmentent avec la température, doublant approximativement à 37 °C par rapport à 25 °C (Latner et al., 1966; Quistorff et Grunnet, 2011b). Auparavant, Newsholme et Leech (1983), Van Hall (2000), Newsholme (2004), Gladden (2008) et Quistorff et Grunnet (2011a) ont soulevé des questions importantes sur le rôle des profils d’isozymes de La LDH dans la production par rapport à l’utilisation, notant que: (1) les enzymes ne modifient pas la constante d’équilibre d’une réaction; (2) la réaction de la LDH est proche de l’équilibre, minimisant les effets allostériques; (3) les différences dans la LDH les fonctions isozymes in vivo sont peut−être assez faibles en raison des températures physiologiques plus élevées et de la liaison aux structures ou à d’autres protéines; (4) les concentrations de La− et de pyruvate nécessaires à l’inhibition de la LDH in vitro sont beaucoup plus élevées que les concentrations les plus élevées observées in vivo; et (5) L’inhibition de la LDH in vitro peut être due à des traces de la forme énol du pyruvate qui sont moins susceptibles d’être présentes in vivo.

Bien que Summermatter et al. (2013) déclarent avec conviction que le modèle isoforme de la LDH est un facteur majeur du métabolisme de La pour l’ensemble du corps, il existe un défaut fatal dans leur conception. Ils ont ignoré le fait que les souris transgéniques α PGC-1 ont augmenté la prolifération mitochondriale et les enzymes de phosphorylation oxydative, alors que les souris knockout PGC-1α ont des réductions significatives des activités de la cytochrome oxydase et de la citrate synthase (Arany et al., 2005). À notre avis, ces changements dans la fonction mitochondriale, l’activité élevée de la LDH totale notée précédemment indépendamment du modèle d’isozyme et la nature proche de l’équilibre de cette réaction rendent les conclusions de Summermatter et al. (2013) intenable. Par conséquent, nous concluons que les rôles physiologiques et biochimiques exacts des isozymes de LDH in vivo restent à élucider définitivement.

Enfin, en ce qui concerne le métabolisme tumoral, comprendre que La− est le produit final de la glycolyse est primordial pour concevoir des interventions ciblant les cancers. Brièvement, les expériences de Cori et Cori (1925) et de Warburg et al. (1927) ont montré que les tumeurs semblaient consommer avidement du glucose et produire de La−. Le dogme ultérieur dans le métabolisme tumoral a soutenu que les tumeurs présentent un « effet Warburg”, produisant et exportant La−. Cependant, nous savons maintenant que non seulement différents types de tumeurs gèrent La−différemment (certains sont des producteurs nets; d’autres sont des consommateurs nets), mais même au sein d’une seule tumeur, il peut y avoir des navettes entre différents types de cellules; une navette de La−cellule à cellule (Semenza, 2008). De nombreuses cellules cancéreuses sont de mauvais consommateurs de lactate (Sonveaux et al., 2008) suscitant des spéculations selon lesquelles une hypoglycémie protégée peut être thérapeutique (Nijsten et van Dam, 2009). En revanche, certaines tumeurs utilisent avidement La- comme carburant et répondent à La- supplémentaire avec une prolifération et une vascularisation accrues, probablement un résultat direct de la régulation à la hausse du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) et du facteur inductible d’hypoxie 1α (HIF-1α). Dans une étude récente sur un modèle animal d’un sarcome, Goodwin et al. (2014) ont rapporté que La−a conduit la sarcomagénèse en l’absence d’hypoxie. Étonnamment, notre compréhension du métabolisme de La dans le cancer reste instable près de 90 ans après les premières études de Warburg.

Conclusions

Notre compréhension de la formation de La a radicalement changé depuis sa découverte. Traditionnellement, on pense que le pyruvate est le produit final de la glycolyse lorsque de l’O2 est présent et La − le produit final pendant les périodes de dysoxie. À la fin du XXe siècle et au début du XXIe siècle, il a été découvert que l’O2 ne se limite pas à la phosphorylation oxydative dans la plupart des conditions cellulaires, et La- est en effet produite même lorsqu’il n’y a pas de limitation du taux de livraison d’O2 aux mitochondries. Une réflexion plus poussée sur l’activité de l’enzyme LDH et la constante d’équilibre de sa réaction avance la proposition que La− est le principal produit final de la glycolyse dans la plupart, sinon dans toutes les conditions métaboliques de la plupart des cellules. Le rôle des différentes isozymes de la LDH dans le métabolisme n’est pas aussi évident que la plupart des chercheurs le suggèrent, et nous concluons que leur fonction exacte reste inconnue. Que nous ayons raison ou non sur la navette du Lactate du Cytosol aux Mitochondries telle que décrite ici et le rôle incertain des isoformes de LDH sera difficile à évaluer dans des conditions in vivo. Une approche est la modélisation in silico. Comprendre les mécanismes exacts de la glycolyse et du métabolisme de La permettra non seulement d’approfondir notre compréhension du métabolisme dans les tissus sains, mais également de mieux comprendre les tissus malades ou blessés, les applications les plus évidentes étant le métabolisme perturbé des glucides présent dans les cellules cancéreuses (Vander Heiden et al., 2009) et le métabolisme cérébral à la suite d’une lésion cérébrale traumatique (Brooks et Martin, 2014).

Déclaration sur les conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.