La suppression de la chaîne de transport d’électrons augmente la dépendance cellulaire au transport et au recyclage des purines

Contexte de l’étude

La chaîne de transport d’électrons (ETC) est un mécanisme clé de la production d’énergie dans les mitochondries, jouant un rôle essentiel dans le maintien de l’homéostasie et la croissance cellulaire. Cependant, lorsque la fonction de l’ETC est altérée, il reste encore à clarifier comment les cellules ajustent leur métabolisme pour faire face à ce changement. Les désordres métaboliques causés par des mutations dans les cellules cancéreuses et les maladies métaboliques congénitales (IEMs) sont courants, ces mutations impliquant plusieurs voies métaboliques telles que la glycolyse, l’oxydation des acides aminés et le cycle de l’urée. Ces mécanismes pathologiques présentent des similitudes entre le cancer et les IEMs, et étudier le remodelage métabolique peut offrir de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes pathologiques interdisciplines.

Origine et auteurs de l’étude

Cet article a été publié dans “Cell Metabolism”, rédigé par Zheng Wu et les membres de l’équipe Divya Bezwada, Feng Cai, Robert C. Harris, entre autres, venant du Centre Médical Sud-Ouest de l’Université du Texas, de l’Université de Chicago et d’autres institutions de recherche. L’article a été publié le 2 juillet 2024.

Objectifs et questions de l’étude

L’objectif de la recherche est d’explorer la réponse métabolique des cellules humaines en cas de dysfonctionnement de l’ETC, en se concentrant particulièrement sur les changements dans le métabolisme des purines. La déficience de l’ETC entraîne-t-elle un déplacement des cellules vers le recyclage des purines au détriment de la néosynthèse, et ce remodelage métabolique peut-il révéler de nouvelles cibles thérapeutiques pour le traitement du cancer ?

Méthodes de recherche

Processus de recherche

1. Analyse métabolomique : Les chercheurs ont utilisé la méthode métabolomique pour analyser les fibroblastes de patients atteints de diverses maladies mitochondriales et les cellules cancéreuses dont l’ETC a été bloqué.
2. Expérience de traçage isotopique stable : L’influence de la déficience de l’ETC sur la voie de synthèse des purines a été vérifiée à l’aide de techniques de traçage isotopique stable.
3. Expériences biochimiques moléculaires : Les niveaux de différents métabolites dans les cellules déficientes en ETC, ainsi que la relation entre les enzymes de synthèse des purines et les précurseurs dans le milieu, ont été évalués.
4. Expérience de knock-out génique : L’effet de l’enzyme de recyclage des purines HPRT1 dans le dysfonctionnement de l’ETC a été étudié en utilisant la technique de knock-out génique.
5. Expériences sur modèle murin : L’influence des médicaments sur le métabolisme des purines a été validée in vivo chez la souris.

Étapes expérimentales spécifiques

1. Expériences de métabolomique et de traçage isotopique : Les fibroblastes de patients avec des dysfonctionnements de l’ETC ont été utilisés pour analyser le niveau des métabolites des purines. Ensuite, les changements dans les voies de synthèse des purines dans les cellules ont été tracés par des isotopes stables (comme le glucose marqué au 13C et la glutamine marquée au 15N).

2. Traitement médicamenteux et expériences cellulaires : Des cellules de cancer du poumon non à petites cellules humaines (NSCLC) H460 ont été traitées avec l’inhibiteur IACS-010759 pour observer les changements dans la synthèse des purines et la croissance cellulaire.

3. Expérience de knock-out génique : La dépendance des cellules déficientes en ETC au recyclage des purines a été étudiée en supprimant le gène HPRT1, et cette dépendance a été évaluée sur la croissance cellulaire après traitement médicamenteux.

4. Expérience in vivo chez la souris : Les cellules H460 ont été transplantées dans des souris et traitées avec IACS-010759 pour détecter les changements des métabolites des purines dans les tumeurs capturées.

Algorithmes et outils spécifiques

1. Analyse métabolomique : L’analyse des perturbations des voies métaboliques spécifiques a été réalisée grâce à l’analyse d’enrichissement des ensembles de métabolites (MSEA).
2. Traçage isotopique stable : L’analyse de la distribution des isotopes marqués dans les métabolites et la quantification des conversions de voies ont été effectuées à l’aide de la spectrométrie de masse.
3. Outils bioinformatiques : Le DepMap de dépendance au cancer a été utilisé pour analyser l’importance commune des gènes liés au métabolisme des purines.

Résultats de la recherche

Résultats principaux

1. La déficience de l’ETC inhibe la néosynthèse des purines : Les expériences montrent que le dysfonctionnement de l’ETC bloque la voie de néosynthèse des purines, réduisant significativement l’abondance des isomères des purines.
2. Reprogrammation du métabolisme des purines : Dans le contexte de l’inhibition de l’ETC, l’expression de l’enzyme de recyclage des purines HPRT1 augmente, augmentant l’abondance de métabolites tels que les monophosphates de purines (comme l’IMP) dans la voie de recyclage.
3. Rôle de soutien du recyclage des purines dans la croissance cellulaire : Il a été constaté que l’introduction d’inhibiteurs d’HPRT1, le maintien de l’équilibre NAD+/NADH dans les cellules et le supplément en métabolites intermédiaires pouvaient considérablement atténuer l’inhibition de la croissance induite par l’inhibition de l’ETC.
4. Contribution du recyclage des purines à la croissance tumorale in vivo : Les expériences sur souris montrent que l’inhibition de l’expression de l’enzyme de recyclage des purines (comme HPRT1) peut réduire significativement la croissance tumorale in vivo, phénomène d’autant plus marqué lorsque la fonction de l’ETC est altérée.

Soutien des données

Dans chaque expérience, les données de concentration des métabolites et de distribution des isotopes marqués ont été obtenues grâce à la technologie de spectrométrie de masse à haute résolution, et validées avec des méthodes statistiques appropriées telles que le test T non apparié à deux queues et l’analyse de variance à un facteur à deux queues.

Conclusions de la recherche

Conclusions principales et significations

Les dysfonctionnements de l’ETC réduisent la capacité des cellules à effectuer la néosynthèse des purines, les contraignant à dépendre du recyclage des purines pour satisfaire leurs besoins métaboliques. Ce remodelage métabolique est crucial pour la croissance des cellules cancéreuses, notamment dans des environnements hypoxiques ou lorsque la fonction mitochondriale est altérée. Cette étude révèle non seulement une nouvelle vulnérabilité métabolique du cancer, mais suggère également que HPRT1 et les voies métaboliques associées peuvent devenir des cibles importantes pour le traitement du cancer à l’avenir.

Points forts de l’étude

1. Une découverte du phénomène de reprogrammation du métabolisme des purines induit par une déficience de l’ETC, révélant les mécanismes cellulaires de réponse au stress métabolique.
2. L’importance de HPRT1 dans les conditions d’inhibition de l’ETC, ouvrant de nouvelles perspectives de cibles thérapeutiques contre le cancer.
3. Intégration de plusieurs technologies pour analyser les changements dans les voies métaboliques des purines, permettant une compréhension globale du remodelage métabolique.
4. La validation in vivo sur modèle murin renforce la fiabilité des résultats de recherche, soutenant les stratégies thérapeutiques cliniques.

Autres informations importantes

Cette étude fournit une base scientifique solide pour les futures explorations des réponses métaboliques aux dysfonctionnements de l’ETC dans différents contextes pathologiques, et appelle la communauté académique et l’industrie pharmaceutique à prêter attention au mécanisme d’adaptation cellulaire du métabolisme des purines, pour développer des approches thérapeutiques appropriées. Comme décrit dans cet article, les inhibiteurs de l’ETC tels que IACS-010759 ont montré une augmentation des métabolites des purines dans les essais cliniques, ce qui confirme d’autant plus la pertinence clinique des résultats de l’étude.