Voies métaboliques
Métabolisme du pyruvate et cancer : effet Warburg

Le pyruvate, $\ce{CH3COCOO-}$, est une molécule située au carrefour de plusieurs voies métaboliques dont la perturbation joue un rôle essentiel dans de nombreuses affections :

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  1. les cancers par l'effet Warburg,
• 2. les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer et de Parkinson, ou le syndrome de Leigh,
• 3. l'insuffisance cardiaque,
• 4. les maladies chroniques évolutives comme la bronchopneumopathie chronique obstructive, l'obésité, le diabète, ou le vieillissement.

Métabolisme du pyruvate
et effet Warburg

1. Dans L'effet Warburg, le pyruvate est transformé en lactate qui est expulsé hors de la cellule et contribue à l’acidification extracellulaire locale (L’effet Warburg : de la théorie du cancer aux applications thérapeutiques en cancérologie 2013).

La LDH (lactose déshydrogénase) joue un rôle important dans l'effet Warburg, du nom du médecin, physiologiste et biochimiste allemand Otto Heinrich Warburg (1880-1970), prix Nobel de physiologie ou médecine en 1931, dont un de ses étudiants fut un certain Hans Adolf Krebs (1900-1981), prix Nobel en 1953.

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  Les cellules cancéreuses produisent leur énergie grâce à un fort taux de glycolyse, suivie d'une fermentation d'acide lactique (anaérobie) dans le cytosol.
• Les taux de glycolyse des cellules tumorales malignes, au développement très rapide, sont multipliés par 200 fois, même si l'oxygène est abondant.

2. L'élévation très importante de la production du lactate est bénéfique pour les cellules cancéreuses pour plusieurs raisons (The Warburg effect: insights from the past decade 2013).

$\ce{Pyruvate + NADH + H+}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{L-lactate + NAD+}$

a. La LDH produit le $\ce{NAD+}$ qui permet la poursuite de la glycolyse dont la réaction globale est :

$\ce{Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi}$ $\longrightarrow$ $\ce{pyruvate + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O}$

b. L'exportation de lactate hors de la cellule, facilitée par les transporteurs de monocarboxylate (MCT1 et MCT4), symports lactate/$\ce{H+}$, acidifie le milieu entourant les cellules cancéreuses.

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  L'acidification de l'environnement extracellulaire protège les cellules cancéreuses contre le système immunitaire, comme par exemple, en réduisant les capacités des lymphocytes T à produire des cytokines et à entraîner la destruction des cellules cancéreuses (Cancer-generated lactic acid: a regulatory, immunosuppressive metabolite ? 2013).
• De plus, l'acide lactique augmente l'activité des métalloprotéases associées à la matrice extracellulaire, ce qui permet la prolifération et les métastases (Lactate promotes glioma migration by TGF-β2–dependent regulation of matrix metalloproteinase-2 2013).

c. Le lactate peut être utilisé comme source de combustible par les cellules cancéreuses situées à la surface de la tumeur, où, après conversion en pyruvate, les niveaux d'oxygène sont suffisants pour supporter la phosphorylation oxydative.

Le glucose est ainsi conservé pour les cellules cancéreuses enterrées à l'intérieur de la tumeur (Regulation of Monocarboxylate Transporter MCT1 Expression by p53 Mediates Inward and Outward Lactate Fluxes in Tumors 2013).

Facteurs intervenant dans l'effet Warburg

Les principaux facteurs intervenant dans les relations entre le métabolisme du pyruvate et l'effet Warburg sont :

• HIF-1 (Hypoxia Inducible Factor-1),
• p53,
• PKM2.

HIF-1 (Hypoxia Inducible Factor-1)

HIF-1 (HIF, Hypoxia Inducible Factor ou facteur de transcription induit par l'hypoxie) est un facteur de transcription hétérodimérique constitué des sous-unités HIF-1α et HIF-1β.

1. Son activité, principalement régulée par la stabilité de HIF-1α, est fréquemment augmentée dans de nombreux cancers.

Il augmente notamment l'expression :

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  des transporteurs et des enzymes qui favorisent l'utilisation du glucose et la glycolyse, ainsi que la conversion du pyruvate en lactate, contribuant à la reprogrammation métabolique des cellules tumorales (Targeting Hypoxia, HIF-1, and Tumor Glucose Metabolism to Improve Radiotherapy Efficacy 2012).
• du facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF), qui favorise l'angiogenèse, i.e. la création de nouveaux vaisseaux sanguins.

2. HIF-1 provoque la surexpression de facteurs impliqués dans le métabolisme du glucose comme :

• les transporteurs GLUT1 et GLUT3 (transporteurs MFS) qui font entrer le glucose dans la cellule,
• l'hexokinases HK1 et HK2 qui transforment le glucose en glucose-6-phosphate (réaction 1 de la glycolyse).

3. La voie des pentoses phosphates peut également être activée dans les cellules tumorales et contribuer à leur reprogrammation métabolique.

a. Sa première réaction est catalysée par la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD), qui convertit le glucose-6-phosphate en 6-phosphoglucono-δ-lactone, qui produit :

• du NADP, nécessaire au maintien de l'équilibre rédox,
• du ribose-5-phosphate, pour la synthèse des nucléotides indispensables à la prolifération cellulaire.

b. Si cette synthèse n'a pas lieu, les intermédiaires de la voie des pentoses phosphates issus du le ribulose-5-phosphate sont recyclés vers la glycolyse (fructose-6-phosphate et glycéraldéhyde-3-phosphate) pour produire du pyruvate et du lactate.

4. HIF-1 provoque la surexpression de facteurs impliqués dans le métabolisme du pyruvate.

a. La pyruvate déshydrogénase kinase (PDK) inhibe le complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) impliqué dans la formation de l'acétyl-CoA à partir du pyruvate, favorisant ainsi sa transformation en lactate,

b. LDH-A catalyse la formation de lactate à partir du pyruvate, et régénère le NAD⁺ nécessaire à la glycolyse,

c. Le transport du lactate par MCT4, symport lactate/$\ce{H+}$, permet d'exporter ces deux composés dans le milieu extracellulaire (The Expression of Glut-1, CAIX, and MCT4 in Mucinous Carcinoma 2013),

d. L'anhydrase carbonique IX (CAIX), enzyme membranaire, et l'échangeur Na⁺/H⁺ NHE1/SLC9A1, participent à la régulation du pH et à l'acidification du milieu extracellulaire.

• L'anhydrase carbonique IX (CAIX/CA9), associée à la membrane et dont l'expression est stimulée par HIF-1, catalyse l'hydratation du CO₂ en bicarbonate (HCO₃^-) et en protons (H⁺).
• NHE-1 ou SLC9A1 est un échangeur qui contribue au maintien du pH intracellulaire en exportant des protons (H⁺) en échange de Na⁺, ce qui participe parallèlement à l'acidification du milieu extracellulaire.

L'augmentation du lactate extracellulaire va pouvoir réguler :

• les cellules immunitaires et contribuer à l'inhibition de certaines réponses immunitaires antitumorales,
• les cellules endothéliales et favoriser l'angiogenèse, notamment par l'intermédiaire du VEGF,
• les fibroblastes et favoriser le remodelage de la matrice extracellulaire, notamment par l'intermédiaire de métalloprotéases, créant un microenvironnement tumoral favorable à la migration des cellules tumorales (métastases).

p53

p53 (tumor protein p53, ou Tp53) est un facteur de transcription essentiel par le contrôle du cycle cellulaire, de l'apoptose, des dommages et des réparations de l'ADN et du métabolisme.

p53 inhibe la progression du cycle cellulaire et active l'apoptose en réponse à une lésion cellulaire, i.e. il fonctionne comme un antitumoral (Cancer metabolism: Key players in metabolic reprogramming 2012).

1. Dans les cellules normales, p53 régule la glycolyse, et donc la formation et l'oxydation du pyruvate.

• Il module directement le métabolisme glucosique par la transcription d'un micro-ARN (mir-34A) qui inactive la transcription de nombreux enzymes glycolytiques, diminuant de fait la glycolyse (p53 regulates glucose metabolism by miR-34a 2013).
• En outre, p53 augmente la transcription de TIGAR (Tp53-Induced Glycolysis and Apoptosis Regulator) qui métabolise le fructose-2,6-bisphosphate, supprimant ainsi l'activité du site kinase de la phosphofructokinase 2 et de la glycolyse en général (Structural and Biochemical Studies of TIGAR (TP53-induced Glycolysis and Apoptosis Regulator 2009).

2. Dans les cellules cancéreuses où p53 demeure silencieux, le processus conduit à l'élévation de la glycolyse, i.e. la formation de pyruvate et de lactate.

3. Au-delà de son rôle dans la régulation métabolique, p53 est également un régulateur central du cycle cellulaire, des checkpoints, de l’apoptose et de la sénescence, notamment par l’induction de gènes effecteurs comme p21 ( p53 et activation de p21).

PKM2 ou pyruvate kinase M2

Les cellules cancéreuses modifient directement le métabolisme du pyruvate en déplaçant le profil d'expression des enzymes glycolytiques, en particulier celui de la pyruvate kinase (PK).

$\ce{Phosphoénolpyruvate + ADP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{énolpyruvate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{pyruvate + ATP}$

• Les isoformes de PK (PKL, PKR, PKM1 et PKM2) forment des tétramères stables qui catalysent efficacement la transformation du phosphoénolpyruvate en pyruvate (formation du pyruvate).

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  Toutefois, PKM2 est la seule à pouvoir former des dimères qui sont inactifs : l'interconversion entre dimères et tétramères est modulée par diverses modifications post-traductionnelles, par des effecteurs allostériques et des partenaires de liaison (Regulation and function of pyruvate kinase M2 in cancer 2013).

Les cellules cancéreuses favorisent la formation de PKM2 dimérique (i.e. inactive) qui provoque l'accumulation d'intermédiaires de la glycolyse. Ces intermédiaires sont introduits dans d'autres voies, et en particulier celle des pentoses phosphates.

• Cette voie est essentielle aux précurseurs de la biosynthèse des nucléotides et des acides aminés aromatiques (leucine, isoleucine, valine), nécessaires à la prolifération rapide des cellules cancéreuses.
• Elle produit des équivalents réducteurs sous la forme de NADPH, qui peuvent être utilisés pour soutenir la biosynthèse des lipides et la régénération du glutathion-H₂, i.e glutathion réduit.

Le glutathion réduit est utilisé pour diminuer le stress oxydatif des cellules cancéreuses, qui est supérieur à celui des cellules normales, pour éviter leur mort cellulaire.

Pyruvate et maladies neurodégénératives