De nouvelles recherches révèlent comment les mitochondries s'adaptent à la pénurie de nutriments, offrant ainsi un aperçu des mécanismes de survie des cellules cancéreuses.
Dans une étude récente publiée dans Nature, des chercheurs des États-Unis d'Amérique ont étudié comment les cellules séparent les voies métaboliques concurrentes au sein des mitochondries, à savoir la phosphorylation oxydative (OXPHOS) et la synthèse réductrice de proline et d'ornithine.
Ils ont découvert que la fusion et la fission mitochondriales permettent aux cellules d'équilibrer les demandes métaboliques concurrentes en créant deux sous-populations mitochondriales spécialisées : un sous-ensemble contenant la P5CS (pyrroline-5-carboxylate synthase), dépourvue de crêtes et d'adénosine triphosphate (ATP) synthase, et l'autre dédié à Oxphos.
Sommaire
Arrière-plan
Les cellules de mammifères contiennent de 50 à 1 000 mitochondries qui subissent constamment une fusion et une fission pour maintenir leurs fonctions, éliminer les défauts et s’adapter aux besoins cellulaires. Connues principalement pour produire de l’ATP via OXPHOS, les mitochondries jouent également un rôle clé dans la fabrication des molécules essentielles nécessaires à la croissance cellulaire. Lorsque les nutriments sont abondants, les mitochondries peuvent utiliser les ressources excédentaires pour soutenir ces fonctions biosynthétiques. Cependant, en cas de pénurie de nutriments, on ne sait pas exactement comment les mitochondries équilibrent leur production d'énergie avec la nécessité de synthétiser des molécules cruciales pour le maintien des cellules.
Alors que les voies de l'OXPHOS et de la biosynthèse (comme le métabolisme des acides aminés et du carbone unique) ont chacune été étudiées de manière approfondie individuellement, la manière dont les mitochondries gèrent ces processus ensemble, en particulier sous un stress bioénergétique et nutritionnel, reste mal comprise. Comme la compréhension de cet équilibre est cruciale pour mieux comprendre la croissance et la survie cellulaires, les chercheurs de la présente étude ont examiné comment ces processus concurrents sont équilibrés au sein des mitochondries pour répondre aux besoins métaboliques de la cellule.
À propos de l'étude
Les chercheurs ont utilisé une analyse d’interaction protéine-protéine STRING (IPP) pour identifier les groupes d’enzymes mitochondriales en fonction de leurs rôles fonctionnels. Des fibroblastes embryonnaires de souris (MEF) ont été cultivés dans un milieu déficient en glucose ou en galactose pour s'appuyer sur OXPHOS pour la production d'ATP. (U-13C) le traçage de la glutamine a été utilisé pour étudier les voies métaboliques du glutamate dans le cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) et la biosynthèse réductrice.
L'activité mitochondriale a été manipulée avec divers traitements et un knock-out P5CS a été développé via l'édition génétique. La formation de filaments de P5CS a été évaluée par imagerie dans diverses conditions nutritionnelles et états prolifératifs. Des formes mutantes de P5CS ont été exprimées pour tester la dynamique des filaments dans la synthèse de la proline, avec une supplémentation en proline et en ornithine pour évaluer leur impact.
Pour examiner le clustering P5CS in vivodes coupes de tissus d'adénocarcinome canalaire pancréatique humain (PDAC) ont été analysées pour détecter les filaments P5CS dans les mitochondries. On rapporte que ces tumeurs ont du mal à fournir suffisamment d’énergie à leurs cellules à mesure qu’elles se développent en raison des limitations de l’approvisionnement en sang et de la disponibilité des nutriments. La microscopie à haute résolution a révélé une ségrégation de P5CS de l'ATP synthase. Les interactions entre les complexes P5CS et ATP synthase ont été confirmées et le potentiel de membrane mitochondriale a été évalué.
Les caractéristiques ultrastructurales des mitochondries contenant du P5CS ont été analysées par microscopie optique et électronique corrélative (CLEM). Les MEF knock-out OPA1 ont été étudiés pour la formation de crêtes et la biosynthèse de la proline. La dynamique mitochondriale dans les MEF Mfn1/2−/− déficients en fusion et Drp1−/− déficients en fission a été évaluée pour la morphologie mitochondriale, l'activité OXPHOS et la synthèse de proline.
Résultats
Les enzymes mitochondriales ont été classées en trois groupes fonctionnels : cycle TCA (groupe 1), biosynthèse des acides aminés (groupe 2) et métabolisme à un carbone (groupe 3), le P5CS reliant les trois voies. La synthèse de proline était maintenue lorsque les cellules dépendaient d'OXPHOS, ce qui suggère un équilibre entre métabolisme oxydatif et réducteur.
L'imagerie a révélé que les P5CS formaient des filaments dans les mitochondries, en particulier dans des conditions dépendantes d'OXPHOS ou sous un stress nutritionnel. Le mutant P5CS qui ne pouvait pas former de filaments entraînait une synthèse réduite de proline, confirmant la nécessité de la formation de filaments. L’ajout de proline ou d’ornithine a inversé la formation de filaments P5CS, indiquant que la demande métabolique régule ce processus.
In vivoun regroupement de P5CS a été observé dans un sous-ensemble de mitochondries dans les cellules tumorales pancréatiques, alors que les tissus normaux adjacents manquaient de ce regroupement. Dans les cellules tumorales, les mitochondries contenant du P5CS manquaient de composants ATP synthase, alors que celles enrichies en ATP synthase ne contenaient pas de P5CS. La P5CS s'est avérée moins associée à l'ATP synthase lorsque les mitochondries étaient séparées, même si les niveaux de protéines totales restaient inchangés.
Les mitochondries contenant du P5CS ont montré un potentiel membranaire plus élevé, ce qui suggère qu'elles s'engagent dans un métabolisme réducteur pour la synthèse de la proline et de l'ornithine, tandis que les mitochondries enrichies en ATP synthase sont moins impliquées dans ce processus. De plus, les niveaux réduits de nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) ont compromis la synthèse de la proline, confirmant qu'un environnement mitochondrial réducteur est essentiel à la production de proline.
De plus, les mitochondries contenant P5CS ont montré une perte presque complète de crêtes, remplacées par des empilements de filaments protéiques, tandis que les mitochondries enrichies en ATP synthase maintenaient les crêtes. Les mitochondries contenant P5CS étaient dépourvues du composant complexe MICOS MIC60 et de la sous-unité ATP synthase ATP5I. Le manque d'OPA1 a perturbé les crêtes mais n'a pas empêché la biosynthèse de la proline.
L’imagerie de cellules vivantes a montré que les mitochondries contenant du P5CS ont fusionné en réseaux plus larges dans un milieu galactose. Les cellules déficientes en fusion n'ont pas réussi à séparer le P5CS de l'ATP synthase, montrant une activité respiratoire altérée mais maintenant la synthèse de la proline. Les cellules déficientes en fission présentaient des mitochondries allongées, ne parvenaient pas à séparer le P5CS et présentaient une synthèse réduite de proline, altérant la production de collagène. La réintroduction de DRP1 a restauré la synthèse de proline et de collagène, reliant la fission mitochondriale à la biosynthèse de la proline.
Conclusion
En conclusion, bien que la fusion et la fission mitochondriales aident à maintenir la similarité entre les mitochondries, elles aident également à créer et à maintenir des groupes spécialisés de mitochondries au sein d’une cellule, y compris les cellules cancéreuses du pancréas, de sorte que chaque groupe se concentre sur des tâches différentes. La capacité des mitochondries à s’adapter à la pénurie de nutriments en se présentant sous deux formes distinctes pourrait potentiellement constituer une stratégie de survie clé, même pour les cellules cancéreuses. Cette découverte offre une cible thérapeutique prometteuse pour potentiellement inhiber la croissance tumorale en perturbant leur adaptabilité métabolique.
