Introduction
La lactate déshydrogénase (LDH) est une enzyme centrale du métabolisme intermédiaire, facilitant l'équilibre entre la production d'énergie aérobie et anaérobie. Elle catalyse la conversion réversible du pyruvate en lactate avec l'interconversion concomitante du NADH et du NAD⁺. Cette enzyme joue un rôle crucial dans divers processus biologiques, allant du métabolisme énergétique cérébral au transport vésiculaire neuronal, et est impliquée dans des maladies neurodégénératives telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Les kits de dosage de la LDH offrent des outils robustes, sensibles et polyvalents pour mesurer l'activité de la LDH, soutenant la recherche en métabolisme, biologie cellulaire, toxicologie et diagnostic clinique.
La LDH et le Métabolisme Énergétique
Rôle Central de la LDH
La LDH est une enzyme clé du métabolisme intermédiaire, qui catalyse la conversion réversible du pyruvate en lactate, un processus essentiel pour la production d'énergie en conditions anaérobies. Elle permet la régénération du NAD⁺, nécessaire au maintien de la glycolyse, en particulier lorsque l'apport en oxygène est limité.
LDH et Néoglucogenèse
La néoglucogenèse est la formation de glucose à partir de précurseurs non glucidiques tels que le pyruvate, le lactate, le glycérol et la plupart des acides aminés. Chez les animaux supérieurs, elle se produit essentiellement dans le foie et, à un moindre degré, dans le cortex rénal. La conversion du pyruvate en glucose est la voie centrale de la néoglucogenèse. Sur ses dix réactions enzymatiques, sept sont des réactions réverses de la glycolyse. Cependant, les trois réactions irréversibles de la glycolyse doivent être remplacées dans la néoglucogenèse afin que la synthèse du glucose soit thermodynamiquement favorable. La néoglucogenèse est énergétiquement coûteuse.
Le Métabolisme Énergétique Cérébral
L’énergie est le principal déterminant de la viabilité neuronale. L’activité neuronale est, pour la majeure partie, alimentée par le processus de phosphorylation oxydative mitochondriale. Le NAD+ (forme oxydée du nicotinamide adénine dinucléotide) est ainsi réduit en NADH par phosphorylation oxydative en générant de l’ATP. Le cerveau a une capacité de stockage d’énergie très limitée.
Glycolyse Aérobie (Effet Warburg)
La glycolyse aérobie (également appelée effet Warburg) consiste en la transformation du glucose en lactate quelle que soit la teneur en oxygène. La réduction conséquente de l’entrée de l’acétyl-CoA dans les mitochondries et de l’activité du cycle des TCA diminue cette conversion proportionnellement. Le pyruvate cytoplasmique en excès est alors transformé en lactate et expulsé de la cellule par l’activation couplée de la LDH-A (lactate déshydrogénase A) et des transporteurs MCT-1. La phosphorylation oxydative mitochondriale reste cependant plus efficace que la glycolyse aérobie pour la production d’ATP, en raison de l’inefficience du cycle des TCA.
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Implications de la LDH dans la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA)
La SLA et les Altérations Métaboliques
La sclérose latérale amyotrophique (SLA) ou maladie de Charcot est une maladie neurodégénérative fatale qui se caractérise par une inflammation, une dégénérescence chronique progressive des neurones moteurs supérieurs et inférieurs aboutissant à la paralysie, l’atrophie musculaire et finalement le décès. Les processus neuro-inflammatoires jouent un rôle majeur dans la SLA. Les formes sporadiques de SLA sont les plus nombreuses. Cinq à 10 % sont des formes familiales, appelées FALS (pour familial amyotrophic lateral sclerosis). Les voies métaboliques des cellules altérées dans la SLA sont considérées comme des processus exergoniques.
Dans les cellules qui dégénèrent, le fonctionnement des enzymes métaboliques est modifié par la dérégulation de la voie de signalisation canonique WNT/β-caténine. Son activation stimule en effet la PDK-1 (pyruvate dehydrogenase kinase-1) et le MCT-1(monocarboxylate lactate transporter-1) et diminue l’activité de la PDH (pyruvate dehydrogenase complex). Ces modifications enzymatiques provoquent le blocage de la conversion du pyruvate en acétyl-coenzyme A (acetyl-CoA) dans la mitochondrie, et l’entrée du pyruvate dans le cycle des acides tricarboxyliques (TCA pour tricaboxylic acid), ou cycle de Szent - Györgyi - Krebs. À ce niveau, la majeure partie du pyruvate cytoplasmique est converti en lactate.
Dans la SLA, l’activation de la glycolyse aérobie, qui conduit à une production anormalement élevée de lactate, se traduit par un remodelage du métabolisme énergétique. Ces changements métaboliques ont été décrits dans un modèle de SLA fondé sur l’utilisation de la lignée de cellules neuronales motrices NSC-34, qui expriment de façon stable la forme sauvage de la SOD1 (wtSOD1), et de cellules de la lignée G93A qui expriment une forme mutée inactive de l’enzyme (G93ASOD1), soumises à un remodelage métabolique par privation de sérum, induisant ainsi une adaptation au stress oxydatif et métabolique. Une augmentation du métabolisme glycosidique a été observée dans les deux types de cellules.
Rôle de la Voie WNT/β-caténine
La voie de signalisation Wingless/Int (WNT) est impliquée dans le développement neuronal et la synaptogenèse. En l’absence de ligand, la β-caténine s’associe au complexe de destruction constitué de l’APC (adenomatous polyposis coli) et de l’Axine. L’activation de la voie canonique WNT par ses ligands induit l’augmentation de la concentration de β-caténine cytoplasmique et sa translocation nucléaire qui entraîne une activation de la transcription de ses gènes cibles. La liaison de WNT à FZD (Frizzled), après interaction avec ses ligands, active la phosphoprotéine DSH (Disheveled). Phosphorylée, la DSH recrute à la membrane plasmique l’APC et l’Axine qui se lient aux corécepteurs de WNT, LRP (low-density lipoprotein-related receptor)-5 et -6. L’activation de DSH induit également l’inhibition de la GSK-3β, réduisant alors la phosphorylation, et donc la dégradation de la β-caténine. La β-caténine non-phosphorylée sera alors transloquée vers le noyau de la cellule où elle se liera aux facteurs de transcription TCF/Lef (T-cell factor/lymphoid enhancer factor). GSK-3β agit, pour sa part, en inhibant la stabilisation cytoplasmique des niveaux de β-caténine, empêchant ainsi sa migration nucléaire.
De nombreuses études ont montré que la voie WNT/β-caténine est stimulée dans la SLA. Dans le modèle SLA de souris transgéniques exprimant le gène humain muté de la SOD1, SOD1G93A, ou le gène sauvage, un génotypage a été réalisé en utilisant l’ADN génomique du tissu de la queue des animaux à différents stades de la maladies (95, 108 et 122 jours). dans les motoneurones des souris transgéniques SLA. À ces mêmes étapes de la pathologie, l’expression des ARN messagers et des protéines des ligands WNT2, WNT3 et WNT7a est induite dans les cordes spinales de ces animaux.
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Interactions entre la Voie WNT/β-caténine et la Glycolyse Aérobie dans la SLA
Dans la SLA, les mutations dans les gènes codant la SOD1 (superoxyde dismutase) activent la voie WNT. Les ligands WNT lient les récepteurs FZD et LRP-5,-6 (low-density lipoprotein-related receptor-5, -6) pour initier sa phosphorylation et l’activation du complexe Axine/APC(adenomatous polyposis coli)/GSK-3 beta (bêta glycogène synthase kinase 3). La phosphorylation de la β-caténine est ainsi inhibée et empêche sa dégradation dans le protéasome. La β-caténine s’accumule dans le cytosol puis est transloquée dans le noyau. La transcription des gènes contrôlant les enzymes glycolytiques (PDK, LDH-A, PKM2, MCT-1) est ainsi initiée. Le MCT-1 favorise l’élimination du lactate hors de la cellule. La voie WNT/β-caténine stimule l’activation des récepteurs tyrosine kinase (RTK). L’activation de la voie PI3K/Akt augmente le métabolisme du glucose en induisant l’activation de HIF-1alpha, ce qui supprime l’entrée de glucose dans le cycle des TCA. L’augmentation de l’activité de HIF-1alpha accroit l’expression des enzymes glycolytiques (HK, PKM2, LDH-A) et des transporteurs de glucose Glut. Une glycolyse aérobie élevée est ainsi observée avec une augmentation de la production de lactate et une diminution de la phosphorylation oxydative mitochondriale. L’activation de la LDH-A, induite par l’HIF-1alpha, entraîne la transformation du pyruvate cytoplasmique, puis la formation en lactate. La PDK inhibe le complexe PDH dans les mitochondries, de sorte que le pyruvate ne plus entrer dans le cycle des TCA et être converti en acétyl-CoA. La PKM2 activée est transportée vers le noyau, par l’action de Pin1, puis se lie à la β-caténine pour induire l’expression de c-Myc qui, à son tour, active l’expression de Glut, PKM2 et LDH-A, ce qui entretient la glycolyse aérobie.
La dernière étape de la glycolyse, catalysée par la PK (pyruvate kinase), est la conversion du phospho-énol-pyruvate (PEP) et de l’ADP en pyruvate et en ATP. PK possède quatre isoformes (PKM1, M2, L et R). Dans le noyau, PKM2 se lie à la β-caténine nucléaire. Les concentrations de lactate cytoplasmique sont en effet plus élevées dans les cellules SOD1G93A par rapport à celles mesurées dans les cellules wtSOD1. Dans les modèles de souris mutantes SOD1G93A, les niveaux de PDK1 et de LDH-A sont également accrus et sont associés à une diminution des taux de citrate et de flux d’acétyl-CoA. La phosphorylation oxydative mitochondriale est diminuée par la stimulation de l’activité de PDK1 et de LDH-A, ce qui génère une production de ROS qui maintient le niveau d’ATP. La survie des souris SOD1G93A est ainsi augmentée par l’administration d’inhibiteurs de la PDK1 : ils permettent l’activation de la PDHα (pyruvate déshydrogénase sous-unité alpha), stimulent la phosphorylation oxydative et inhibent la glycolyse aérobie. Ainsi, le DCA (dichloro-acétate), un inhibiteur spécifique de la PDK, permet la réactivation de la phosphorylation oxydative, améliorant l’entrée de pyruvate dans le cycle des TCA, maintenant ainsi le métabolisme mitochondrial astrocytaire dans les modèles de souris SOD1G93A.
La LDH et le Transport Vésiculaire
Rôle de la Glycolyse Vésiculaire
L'axone permet le déplacement électrique et chimique sur de longues distances d'informations entre les neurones, un processus qui est à la base de la communication neuronale et de la fonction cérébrale. Cette information est transportée en partie par des vésicules. Les moteurs moléculaires liés à la membrane propulsent ces vésicules le long du cytosquelette de l’axone en consommant de l’ATP. Le laboratoire de Frédéric Saudou a montré précédemment que l'ATP nécessaire à ce transport est produit par des enzymes glycolytiques liées à ces membranes, créant ainsi un microenvironnement énergétiquement autonome pour le transport vésiculaire. De plus, le transport de BDNF est considérablement réduit dans la maladie de Huntington (MH), une maladie génétique causée par une expansion anormale de répétition de CAG dans le gène de la huntingtine (HTT). Cela conduit à un support trophique insuffisant du BDNF au striatum où il joue normalement un rôle crucial dans la survie cellulaire. La HTT est connu pour être une protéine d’échafaudage pour les moteurs moléculaires sur les vésicules.
Importance du Recyclage du NAD+ par la LDH
Pour ce faire, nous avons d'abord voulu décrire les différences de taux métaboliques et d'efficacité entre la glycolyse cytosolique et vésiculaire. Pour mesurer l'activité glycolytique, nous avons décidé de scinder la voie en deux segments: le premier a été déterminé par la production de NADH, le produit de GAPDH; et le deuxième segment a été mesuré par la production d'ATP, produite par PGK et PK. Cela nous a alors conduit à nous interroger sur l'importance du recyclage de NAD+ sur les vésicules. Ici, nous avons montré, par immunofluorescence et western blot, que la LDH, enzyme responsable de la conversion du pyruvate en lactate et de l'oxydation du NADH, est également liée aux vésicules. En outre, nous avons démontré que ce recyclage NAD-dépendant de la LDH est crucial pour l'activité glycolytique globale sur les vésicules et requis pour le transport du BDNF dans des neurones corticaux en culture.
Lien entre Glycolyse Vésiculaire et Transport de BDNF dans la Maladie de Huntington (MH)
Enfin, nous avons étudié le lien entre la glycolyse vésiculaire et le transport de BDNF dans la MH. Nous avons montré que le HTT interagit plus fortement sur les vésicules avec au moins deux enzymes glycolytiques, GAPDH et PFK, et que la quantité et l'activité de l'enzyme glycolytique sur les vésicules sont affectées dans la MH. Sur la base de ces résultats, nous avons utilisé la construction TM-GAPDH décrite précédemment pour stimuler artificiellement la glycolyse spécifiquement sur les vésicules ce qui nous a permis de démontrer que cette approche était suffisante pour restaurer le transport in vitro.
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Conclusion
La LDH est une enzyme multifonctionnelle impliquée dans des processus métaboliques clés, allant de la production d'énergie à la néoglucogenèse et au transport vésiculaire. Son rôle dans la glycolyse aérobie est particulièrement pertinent dans des maladies neurodégénératives comme la SLA, où une dérégulation de cette voie métabolique contribue à la progression de la maladie. La compréhension des mécanismes régissant l'activité de la LDH et son implication dans ces pathologies pourrait ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques.
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