La tolérance au NADH/NAD plus le déséquilibre anticipe le vieillissement et les interventions anti-âge

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SOMMAIRE

Les couples redox coordonnent la fonction cellulaire, mais les conséquences de leurs déséquilibres ne sont pas claires. Ceci est quelque peu associé aux limites de leur quantification expérimentale. Ici, nous contournons ces difficultés en présentant une approche qui caractérise les profils de tolérance basés sur la condition physique aux déséquilibres du couple redox en utilisant une présentation du métabolisme en silicone. En nous concentrant sur le couple redox NADH/NAD1 chez la levure, nous démontrons que les déséquilibres réducteurs génèrent des syndromes métaboliques comparables à ceux observés dans les cellules cancéreuses.bienfaits de l'extrait de cistancheLa tolérance des mutants de levure au déséquilibre redox peut également expliquer 30 % de la variabilité de leur durée de vie chronologique mesurée expérimentalement. De plus, en prédisant l'importance de certains métabolites pour aider à supporter les déséquilibres, nous identifions correctement les nutriments sous-jacents aux mécanismes de la pathologie, les molécules protectrices de la durée de vie ou les mimétiques de restriction calorique. La tolérance aux déséquilibres redox devient ainsi un son fournissant un cadre pour reconnaître les propriétés du phénotype vieillissant tout en étant cohérent avec un rationnel biologique pour évaluer les interventions anti-âge.

INTRODUCTION

La recherche sur l'homéostasie redox s'est considérablement développée au cours des deux dernières décennies, refaçonnant continuellement les notions classiques de dommages cellulaires oxydatifs (Halliwell et Gutteridge, 2015). Parmi les agents moléculaires les plus paradigmatiques sous-jacents à cette homéostasie émergent les rapports de couples redox, comme ceux des formes conjuguées du glutathion, du NADPH et du NADH. Le glutathion et le NADPH agissent tous deux comme des mécanismes essentiels de piégeage des espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans les mitochondries, tandis que le NADPH et le NADH couplent respectivement les voies anaboliques et cataboliques avec l'état redox de la cellule.

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Néanmoins, de nouveaux mécanismes liant les paires NADPH/NADP* et NADH/NAD* à l'homéostasie redox continuent d'être reconnus. Par exemple, l'équilibre NADPH/NADP plus explique en partie les conséquences pro-survie de la protéine kinase activée par l'AMP (She et al., 2014). En outre, il associe le chronométrage circadien aux états redox (Rey et al., 2016). On pense actuellement que le rapport NADH/NAD plus est impliqué dans la coordination des fonctions mitochondriales et nucléaires, la régulation épigénétique de la réparation de l'ADN et de l'identité cellulaire, et l'ajustement du métabolisme énergétique aux variables environnementales (Canto et al., 2015 ; Gomes et al. 2013). Dans des conditions non pathologiques, le rapport NADH/NAD* fluctue avec la tension en oxygène, des conditions hypoxiques et une plus grande disponibilité d'oxygène se produisant en conséquence avec des déviations réductrices et oxydatives (Clanton, 2007 ; Graef et al., 1999).

Mais l'intérêt croissant pour les rapports de couple redox vient principalement de leurs implications en pathologie.cistanche gengis khanL'apparition de ROS dans les sens réducteur (hypoxique, sujet au NADH) et oxydatif (hyperoxique, sujet au NAD plus) a été liée à des divergences par rapport à un potentiel redox optimal qui assure la meilleure performance des mitochondries (Aon et al., 2010 Clanton, 2007). En ce qui concerne le cancer, une diminution du NADH/NAD plus peut sous-tendre la létalité des glioblastomes (Gujar et al., 2016) et favoriser la progression du cancer du côlon (Hong et al., 2019), mais elle peut également sauver certains phénotypes sains à différents degrés dans les cellules de autres types de tumeurs (Garrido et Djouder, 2017).

Cistanche peut anti-âge

Le NADH est également devenu un point d'intérêt pour la biologie de Toronto. Dans ce contexte, l'augmentation du pool de NAD plus a entraîné l'inversion partielle du vieillissement et d'autres phénotypes pathologiques associés à travers les organismes (Das et al., 2018 ; Mendelsohn et Larrick, 2014 ; Wei et al., 2017 ; Zhu et al. , 2017), et les cellules sénescentes et néoplasiques présentent des déséquilibres du rapport NADH/NAD plus (Braidy et al., 2011 ; Schwartz et Passonneau, 1974 ; Wiley et al, 2016). De plus, les rôles nouvellement découverts du NADPH et le concept émergent de NADH/NADH en tant que régulateur principal de l'homéostasie redox et de la sénescence sont tous conformes à la théorie de la stabilité métabolique du vieillissement (Demetrius, 2004). Cette théorie propose que la cause du vieillissement est la vulnérabilité des niveaux d'équilibre des couples redox aux perturbations environnementales aléatoires sur les taux de réaction enzymatique, et fait plusieurs prédictions intéressantes qui s'appliquent aux humains.

Compte tenu de toutes ces implications, de nombreuses études ont examiné la phénoménologie des rapports de couple redox soit en signalant passivement leurs niveaux, soit en les modifiant activement. Les manipulations expérimentales sont cependant difficiles. Les plus traditionnels accusent de profondes mises en garde expérimentales (Sun et al., 2012) et les plus récents manquent encore certaines circonstances biologiques en raison de leur limitation aux intervalles de température et de pH (Hung et al., 2011 ; Zhao et al., 2015). De plus, il est expérimentalement coûteux de surveiller le large éventail de phénotypes suite à l'altération des pools de coenzymes par la supplémentation en métabolites (Hou et al., 2010) et les mutations ou la surexpression des enzymes consommatrices de NAD(H) (Bait al., 2011 ; Felipe et al., 1998). Ainsi, il existe un besoin de stratégies alternatives pour aborder le contrôle de l'homéostasie redox par la manipulation des couples redox, ainsi que notre compréhension des conséquences biologiques de ce contrôle.

Les modèles in silico deviennent une stratégie de recherche pratique lorsque les approches expérimentales sont limitées, avec l'avantage de permettre une prise en compte mécaniste complète des phénomènes observés. Les modèles métaboliques à l'échelle du génome, qui peuvent être étudiés par l'analyse de l'équilibre des flux (FBA) (Orth et al, 2010) sont devenus un standard en biologie des systèmes pour étudier les conséquences des perturbations métaboliques sur la fonction cellulaire (méthodes S1). Entre autres contributions, ils ont contribué à la découverte de nouveaux antibiotiques et agents chimiothérapeutiques, à la conception de souches bactériennes optimisées pour la production industrielle de substances d'intérêt et à une meilleure compréhension des maladies métaboliques humaines (Burgard et al., 2003 ; Pagliarini et al. 2016 ; Raman et al., 2009). L'utilisation de la FBA a l'avantage supplémentaire de fournir un aperçu des phénomènes métaboliques sans l'influence de facteurs de confusion non métaboliques (génétiques, épigénétiques, mécaniques, etc.). Ainsi, les modèles métaboliques à l'échelle du génome sont particulièrement bien adaptés pour examiner les conséquences métaboliques des écarts par rapport à l'homéostasie redox.

Ici, nous utilisons FBA pour sonder l'équilibre des couples redox sur une reconstruction à l'échelle du génome de l'eucaryote unicellulaire Saccharomyces cerevisiae, dans lequel nous caractérisons les conséquences métaboliques et liées à la longévité d'une perturbation contrôlée du flux NADH/NAD plus disponible à travers différents gènes. arrière-plans. Plus précisément, nos résultats révèlent que la tolérance à ce déséquilibre conduit à un reroutage métabolique spécifique rappelant la pathologie et explique également plus du quart de la variabilité intra-spécifique de la durée de vie post-mitotique. De plus, ce cadre nous aide à définir un protocole de calcul (que nous appliquons également à des modèles métaboliques animaux et humains) pour identifier les métabolites et les enzymes ayant un potentiel comme cibles thérapeutiques dans le contexte des pathologies liées à l'âge.

RÉSULTATS

Un profil de tolérance basé sur la condition physique caractérise les perturbations du couple redox

Pour représenter un déséquilibre entre les formes conjuguées d'un couple redox, nous avons incorporé une réaction artificielle réversible - la "réaction de déséquilibre" - dans la reconstruction à l'échelle du génome du réseau métabolique correspondant (méthodes STAR). La réaction oxyde ou réduit le couple tout en considérant des compartiments cellulaires spécifiques (par exemple, cytosol, mitochondries, etc.), et son activité peut être fixée à n'importe quelle valeur de vitesse souhaitée. Pour chacune de ces valeurs, on peut calculer un taux de croissance ("fitness"), qui agit comme un indicateur de la tolérance de la cellule de levure à cette condition particulière. Enfin, un profil de tolérance est défini en calculant le taux de croissance pour une plage des valeurs de déséquilibre (figure 1A ; notez que les conditions réductrices/oxydantes sont représentées en bleu/rouge, respectivement, tout au long du manuscrit).

Les profils de tolérance présentent généralement une croissance maximale autour du point de déséquilibre nul, avec à peu près n'importe quel écart (c'est-à-dire la valeur non nulle de la réaction) entraînant une diminution de la forme physique. Cela souligne le fait que, pour que le métabolisme fonctionne, l'activité des réactions qui règlent un rapport de couple redox dans un sens doit être proportionnelle à l'activité de celles qui le règlent dans l'autre. Plus précisément, les déséquilibres cytosoliques de NADH/NADt chez S.prolongation de la durée de vie des cistanchescerevisiae poussant sur le glucose et les conditions aérobies donnent un profil avec une croissance maximale significativement déplacée vers le côté oxydatif sur un point du profil de déséquilibre où ~ 50 mmol/DW/heure de NADH sont convertis en NADH (figure 1B). En considérant plutôt le déséquilibre dans les mitochondries, nous avons observé un maximum au point de déséquilibre nul (Figure 1C), un schéma que nous avons également observé dans d'autres profils (Figure S1). En général, les conditions réductrices deviennent

Figure 1. Un profil de tolérance caractérise la réponse aux déséquilibres redox

(Un haut. Nous avons introduit une réaction artificielle dans le modèle de reconstruction métabolique d'un organisme (ici la levure) pour interconvertir les deux formes conjuguées d'une coenzyme redox (ici le couple NADH/NADH). Sous chacune d'une série de conditions de déséquilibre, c'est-à-dire les valeurs de vitesse de la réaction artificielle, nous appliquons l'analyse de l'équilibre des flux pour calculer le taux de croissance. Fond. Les valeurs prédites de croissance sont tracées par rapport aux valeurs de taux de déséquilibre qui délimitent le profil de tolérance ; un proxy de la tolérance du métabolisme face à la perturbation choisie.cistanche nz(B) Profil de tolérance chez la levure associé à des déséquilibres localisés dans le cytosol.

(C) Profil de tolérance dans la levure associée à des déséquilibres situés dans les mitochondries. L'ombrage bleu/rouge représente les régimes de déséquilibre réduits et oxydés, respectivement, et les points gris indiquent des valeurs correspondant à aucun déséquilibre ou à des déséquilibres réducteurs/oxydatifs extrêmes ne produisant aucune croissance. délétères et létaux plus rapidement que les régimes oxydatifs. Dans deux cas (les paires conjuguées de NADH cytosolique ou de thiorédoxine mitochondriale), une légère oxydation artificielle du couple améliore la croissance (Figure S1).

Les perturbations NADH/NAD* provoquent des syndromes métaboliques qui rappellent la pathologie

Le métabolisme énergétique de la levure sans déséquilibre correspond à un métabolisme aérobie caractéristique en présence de glucose (conditions de culture étudiées) dans lequel la glycolyse est couplée au cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) et à la phosphorylation oxydative. La voie des pentoses phosphates oxyde le glucose et fournit du ribose-5P pour la synthèse des nucléotides et un pouvoir réducteur né du NADPH pour l'anabolisme, tandis que les voies anaplérotiques quittent le cycle du TCA, similaires à celles du métabolisme de la glutamine, sont modérément utilisées pour nourrir principalement la pyrimidine et synthèse des acides aminés. La FBA nous permet de quantifier les changements dans ces voies et comment elles détaillent finalement les traits métaboliques sous-jacents à tout régime de déséquilibre particulier.

Plus précisément, la figure 2A montre comment les déséquilibres réducteurs du NADH/NADH cytosolique ont produit une augmentation du flux glycolytique, une diminution de l'activité du cycle TCA et de la chaîne de transport d'électrons, et une augmentation du métabolisme de la glutamine. Cette signature métabolique pseudohypoxique - en présence d'oxygène - s'apparente au métabolisme anaérobie, où la glycolyse est couplée à la fermentation alcoolique ou lactique au détriment des voies mitochondriales ; la partie oxygénique de la voie des pentoses phosphates est arrêtée et le métabolisme de la glutamine, plus actif, pourrait être redirigé pour produire du pyruvate en plus de contribuer à l'anabolisme. Notamment, ce phénotype capture certaines caractéristiques des métabolismes de rendement paradoxaux observés dans différents types de cellules cancéreuses (l'effet Warburg) (Potter et al., 2016).

Figure 2. Flux des principales voies de gestion de l'énergie sous-jacentes au profil de tolérance chez la levure (A) Déséquilibre NADH/NAD cytosolique (en haut) et valeurs de flux de cinq voies représentatives (en bas) ; i/glycolyse (glycolyse, noyau), ii/cycle de Krebs (TCA, rose), phosphate d'ili/pentose (Penphos, vert), iv/phosphorylation oxydative (Oxphos, gris) et métabolisme de la glutamine (glutamine, violet). Les vecteurs de flux représentés sont le résultat de la moyenne du flux de toutes les réactions de la voie particulière.

(B) Identique à (A) en ce qui concerne le déséquilibre mitochondrial. Notez la présence de flux négatifs dans la glycolyse (panneau A, en bas) représentent une gluconéogenèse accrue. Voir le texte principal pour plus de détails.

En revanche, le métabolisme énergétique sous-jacent à la tolérance oxydative (par rapport au cytosol, figure 2A) présentait une configuration de type plus aérobie mais avec des particularités, telles qu'un métabolisme des polyamines particulièrement actif ; et des propriétés extrêmes, y compris une augmentation de la gluconéogenèse, de la phosphorylation oxydative et de l'activité du cycle TCA, ainsi qu'un flux très élevé (jusqu'à 12- fois le niveau normal) à travers la voie des pentoses phosphates. Ce dernier peut néanmoins être un artefact de différences dans la pseudo-réaction de la biomasse, sous un déséquilibre oxydatif très élevé (au-delà de 55 mmol/gDW/h) (voir méthodes S1).

Lorsque la réaction de déséquilibre est localisée dans les mitochondries, la réduction du NADH produit à nouveau un certain comportement pseudohypoxique, à une différence près (Figure 2B). Le flux à travers la glycolyse et le métabolisme de la glutamine a augmenté, avec une perte concomitante des parties du cycle TCA et de la voie des pentoses phosphates. Cependant, contrairement au cas cytosolique, la phosphorylation oxydative a augmenté de manière significative. D'autre part, le côté oxydatif du profil mitochondrial était plus idiosyncrasique : l'activité glycolytique augmentait parallèlement à celle du cycle TCA, mais la phosphorylation oxydative fonctionnait pour la plupart à des niveaux inférieurs à la normale, et le métabolisme de la glutamine était de peu d'importance,

Les syndromes métaboliques résultent d'un compromis entre l'équilibre redox, la production de biomasse et un compromis ATP/NADH

Nous avons identifié plusieurs éléments clés en jeu qui ont façonné les syndromes précédents.taille du pénis cistancheLa perturbation oxydative a été rencontrée avec une réponse aérobie exacerbée comme compromis entre le maintien de la croissance et l'amortissement de la perturbation du déséquilibre. Cela impliquait de rediriger le flux à travers le nombre maximum de réactions possibles qui réduisaient le NAD plus tout en préservant une distribution globale du flux capable de générer des constituants de la biomasse. Ces deux éléments mécanistes (tampon de perturbation et maximisation de la biomasse) sont les exigences les plus pertinentes du problème d'optimisation et suffisantes pour décrire le régime oxydatif du profil de tolérance.

Figure 3. Des mécanismes concurrents provoquent le comportement pseudohypoxique de la levure

(A) L'équilibre entre la production de NADH, d'ATP et de précurseurs de biomasse favorise les modules de réaction qui produisent autant d'ATP et aussi peu de NADH que possible pour compenser les conséquences des régimes réducteurs, par exemple l'utilisation de la glycolyse à celle du TCA. Notez ici que les flèches violettes représentent la production d'ATP, les flèches jaunes représentent la production de NAD(H) et les cercles blancs indiquent la génération de précurseurs de la biomasse, (B) Une perturbation NADH/NADt sujette au NADH (axe des x) se chevauche avec un ADP artificiel réaction de phosphorylation (axe y) qui introduit avec force un pouvoir réducteur sous forme d'ATP dans le métabolisme déséquilibré. Un dégradé de couleur verte représente le rapport entre le flux glycolytique et le flux du cycle de Krebs normalisé par sa valeur normale (jusqu'à 100- fois). On peut apprécier que la phosphorylation de l'ADP réduit le phénotype pseudohypoxique et retarde la quiescence.

Le côté réducteur nécessitait cependant une perspicacité supplémentaire. Comme de plus en plus de NADH est séquestré dans les réactions de NADH qui utilisent NADt et sont directement ou indirectement nécessaires pour produire des constituants de la biomasse deviennent de plus en plus contraints, le métabolisme énergétique doit donc être réacheminé pour permettre une conversion élevée de NADH en NAD et pour limiter le réduction de NAD' en NADH. Ceci est encore insuffisant pour faire face à la perturbation, car la plupart des pouvoirs réducteurs sous forme de NADH sont essentiellement inutiles à de nombreux objectifs métaboliques, réactions et croissance : l'énergie stockée dans le NADH doit être réaffectée à l'ADP. Ainsi, le métabolisme doit donner la priorité aux modules de réaction qui produisent autant d'ATP et aussi peu de NADH que possible ; il doit s'appuyer sur des shunts et des voies qui ont un rendement élevé en ATP/NADH, par exemple la glycolyse et la phosphorylation oxydative.

Ces résultats, entre autres, réduisent le cycle TCA et augmentent le flux glycolytique (figure 3A). . Les simulations ont montré que le rapport de flux glycolyse/TCA élevé qui caractérise le métabolisme réducteur dépend du rendement ATP/NADH

Figure 4. Score de tolérance en tant que facteur prédictif de la durée de vie chronologique de la levure

(A) Profils de tolérance obtenus pour les mutants de levure ; les secteurs bleu/rouge de la courbe représentent le régime réducteur/oxydant du déséquilibre NADH/NADH.

(B) Association entre le score de tolérance normalisé (proportionnel à l'étendue des valeurs de déséquilibre aux régimes oxydatifs et réducteurs, méthodes STAR) et la durée de vie chronologique. La corrélation explique environ 30 % de la variance totale (R'= 0. 29, valeur p=3.2x 10-4, N= 41).

(C) Comme autre façon de visualiser cette association, nous avons obtenu un histogramme des valeurs de pente de régression obtenues à partir de dix mille associations générées de manière aléatoire entre le score de tolérance et la durée de vie. De cet échantillon, nous trouvons seulement 3 cas dans lesquels l'association entre le score de tolérance et les données de durée de vie est plus forte que celle trouvée (indiquée par la ligne verticale rouge).

(Figure 3B). La phosphorylation forcée de l'ADP réduit cette signature pseudohypoxique même face à de très forts taux de déséquilibre sujets au NADH.

La tolérance explique les différences de durée de vie chronologiques expérimentales entre différents mutants de levure

Nous avons demandé dans quelle mesure le profil de tolérance pouvait agir comme prédicteur de la durée de vie, étant donné que les couples redox ont été discutés comme déterminants potentiels de la durée de vie. Une façon d'étudier cela consiste à calculer le profil dans différents mutants (figure 4A), puis à quantifier comment il correspond aux mesures exactes de la durée de vie, les durées de vie chronologiques normalisées (CLS), disponibles à partir des courbes de survie des mutants mesurées expérimentalement (Garay et al., 2014). Les CLS sont calculées à partir de ces courbes de survie des mutants comme l'augmentation de la survie en phase stationnaire par rapport au type sauvage.

Dans FBA, les mutations dans des gènes spécifiques sont simulées en limitant le flux des réactions qui leur sont associées via des règles booléennes qui relient chaque réaction chimique aux ORF qui se traduisent par l'enzyme de la réaction (méthodes STAR). Pour chacun de ces mutants, nous avons calculé un profil de tolérance mutante (figure 4A) et utilisé la somme des valeurs absolues de déséquilibre auxquelles le taux de croissance est divisé par deux (à la fois dans les régimes réducteur et oxydatif) comme score scalaire de tolérance (STAR méthodes).

Notre ensemble de mutants était toutefois limité par certaines restrictions (méthodes STAR). Notamment, nous étions incapables de distinguer des différences de tolérance inférieures à 10 ppm de la valeur du type sauvage sans atteindre des temps de calcul prohibitifs, et de nombreux mutants présentaient à la fois des différences négligeables de durée de vie et des différences négligeables de tolérance. De plus, il est généralement considéré que FBA est incapable de caractériser les suppressions de gain de fonction et, de manière tout à fait prévisible, aucune tolérance de mutant n'a dépassé celle du type sauvage.

Au-delà de ces contraintes, les profils de tolérance in silico ont pu expliquer -30 % de la variabilité de la durée de vie mesurée expérimentalement (Figure 4B, R2= 0.29, N=41, valeur p{{5 }}.2x 10-) avec une grande signification : 10, 000 les randomisations des paires de données ont conduit à seulement 3 instances avec une pente de régression plus grande (Figure 4C).

Les nutriments conventionnels permettent la tolérance aux déséquilibres NADH/NADH

Enfin, nous avons recherché si des métabolites alimentaires spécifiques étaient particulièrement déterminants dans la réponse au déséquilibre redox. Dans ce but, nous avons utilisé une fonctionnalité supplémentaire des modèles FBA, qui est la possibilité d'accéder à l'utilisation d'un métabolite particulier (défini comme le taux de consommation à l'état d'équilibre, méthodes STAR). Nous avons examiné la façon dont ce taux changeait avec l'augmentation des valeurs du déséquilibre NADH/NAD plus réducteur et oxydatif.

L'utilisation était plutôt linéaire des deux côtés du profil et pour la plupart des métabolites. Ainsi, nous avons adapté ce modèle changeant à un modèle linéaire et considéré la pente (absolue) comme un représentant scalaire de la pertinence du métabolite correspondant pour tolérer le déséquilibre redox (figure 5A). Parmi les principaux nutriments réactifs d'iAZ900, nous avons remarqué des métabolites alimentaires connus pour jouer un rôle essentiel dans la régulation de la durée de vie des levures, tels que l'acétate (Burtner et al., 2009), ainsi que de nombreux autres qui augmentent expérimentalement la durée de vie des levures, des vers, ou même des cellules humaines (Madeo et al., 2018 ; Mishur et al., 2016) y compris le malate, l'hydroxybutyrate, la spermidine ou l'oxaloacétate (Figures 5B-5D, Tableau S1).

Certains nutriments étaient plus pertinents pour la tolérance à la réduction de la NAD, d'autres à l'oxydation de la NADH et quelques-uns à ces deux régimes. Les métabolites alimentaires les plus importants pour la tolérance réductrice étaient dans l'ordre l'acétate, le bêta-hydroxybutyrate (BHB), le glutamate et la glutamine (figure 5B), tandis que le plus important pour tolérer l'oxydation du NADH était l'acétate, le NADP plus, la putrescine et la spermidine. (Figure 5D). Parmi ceux qui ont participé à partir de la tolérance des deux côtés du profil, le plus pertinent était dans l'ordre acétate, glutamate, oxaloacétate et oxoglutarate (figure 5C).

Nous avons examiné des modèles métaboliques dans d'autres organismes pour corroborer davantage quels nutriments sont des déterminants de la réponse aux déséquilibres (méthodes S1, voir également la figure S2 pour savoir comment les flux des principales voies changent). Tous ces principaux contributeurs ont changé, bien que peu, les acides alpha-céto, les couples redox, certaines vitamines et certains acides aminés étant considérablement nécessaires pour contrôler les perturbations NADH/NADt chez C.elegans et la reconstruction humaine. La réaction la plus courante au déséquilibre redox dans ces organismes concerne les métabolites qui interviennent dans l'homéostasie du pH, tels que l'acétate, le bicarbonate, le biphosphate, le sodium, l'eau et d'autres analogues. De même, la pertinence du glutamate, de la glutamine, de l'aspartate, de la thréonine, de la sérine et de la glycine les distingue des autres acides aminés et de la plupart des métabolites. Les acides oxydés de taille moyenne comme l'oxoglutarate, le malate et l'oxaloacétate jouent également un rôle constant dans la tolérance, tout comme la biotine et certains folates (voir le tableau S1 pour une liste complète).

DISCUSSION

Nous proposons ici une approche alternative pour comprendre les conséquences biologiques générales des changements dans les couples redox. Cette approche s'appuie sur des modèles métaboliques in silico et introduit la notion de profil de tolérance comme mesure quantifiant la résilience cellulaire à ces changements.

Figure 5. Nutriments homéostatiques dans la levure

(A) Exemple de profil d'utilisation d'un nutriment avec ses régressions linéaires réductrices (bleues) et oxydatives (rouges) correspondantes caractérisées par des pentes m et m., respectivement (en valeurs absolues). Nous avons inclus le profil de tolérance cytosolique en arrière-plan comme référence.

(B) Pente de régression linéaire (m,) des 4 principaux nutriments homéostatiques dans le sens réducteur du NADH/NAD plus la perturbation.

(C) Pentes de régression linéaire des 4 principaux nutriments qui sont homéostatiques dans les deux sens de la perturbation ; Bleu : Pente de régression linéaire réductrice ; Rouge : pente de régression linéaire oxydative.

(D) Pentes de régression linéaire (m.) Des 4 principaux nutriments homéostatiques au sens oxydatif du NADH/NAD plus perturbation.

Les ajustements métaboliques sous-jacents au profil révèlent la présence d'un phénotype pseudohypoxique associé aux régimes réducteurs de NADH. Ce phénotype rappelle certains métabolismes énergétiques à faible rendement apparemment paradoxaux observés dans les cancers (effet Warburg) et est également reconnu dans les cellules de levure (effet Crabtree) et bactériennes (métabolisme de débordement) (Basan et al., 2015 ; Mori et al., 2016 ; Potter et al., 2016). La possibilité que ce comportement puisse être causé par des contraintes d'allocation des ressources résultant de taux de croissance ou d'absorption de glucose relativement élevés a été avancée ces dernières années (Basan et al, 2015 ; Mori et al, 2016). Cependant, le phénotype pseudohypoxique que nous observons est indépendant du taux de croissance et de l'absorption de glucose, et en fait, il coexiste avec de faibles taux de croissance (méthodes STAR). Nous avons montré que sa cause réside dans un compromis fondamental ATP/NADH, un raisonnement qui est soutenu par une étude expérimentale récente (Maldo-nado et Lemasters, 2014).

De plus, notre analyse des flux suggère que le maintien de l'ATP peut être affecté négativement par le NADH/NAD réducteur plus les déséquilibres. On pense que l'augmentation du NADH est un corrélat de la diminution de la disponibilité de l'ATP, car une altération de la phosphorylation oxydative pourrait entraîner à la fois une augmentation du NADH/NAD plus et une diminution de l'ATP/ADP. Nous montrons que les déséquilibres de NADH générés de manière extrinsèque peuvent être une cause de diminution de la disponibilité énergétique par le biais de mécanismes métaboliques orthogonaux, même lorsque la phosphorylation oxydative fonctionne au-dessus des niveaux normaux. Ceci est très important dans le contexte de la recherche sur le vieillissement, car la diminution de la disponibilité énergétique et des rapports ATP/ADP sont une caractéristique conservée du vieillissement cellulaire et des pathologies liées à l'âge (Moreira et al., 2003 ; Pall, 1990 ; Yaniv et al., 2013 ) et pourrait favoriser l'accumulation de déchets toxiques et la perte de protéostase (une autre caractéristique du vieillissement) en diminuant le renouvellement des protéines et donc en augmentant la demi-vie des protéines (Anisimova et al., 2018).

Nous visons ensuite à déterminer la validité de notre cadre en tant que prédicteur de la durée de vie et des métabolites alimentaires tamponnant les déséquilibres redox. La tolérance anticipe la durée de vie cellulaire, avec certaines limitations dues à l'ensemble de données disponible. En tenant compte de ces limitations (Garay et al., 2014), nous constatons que les corrélations résultantes sont encore une preuve suffisante d'une relation entre les variances de la tolérance et la CLS.

Contrairement à nos attentes, la leçon la plus distincte tirée de notre analyse des métabolites alimentaires est que la principale substance à l'origine de la réponse au déséquilibre ne repose pas particulièrement sur le réseau de récupération du NADt. En effet, les premiers "nutriments homéostatiques" sont des intermédiaires du cycle du TCA et d'autres parties du métabolisme central dont l'action est bien plus pénétrante que celle des précurseurs du NAD. De plus, la pertinence des réactions qui ont réduit ou oxydé le NAD(H) tout en agissant comme des ponts entre la paire redox et les principales voies métaboliques est bien supérieure à celle des enzymes limitant la récupération du NADt (telles que la nicotinamide mononucléotide adenyltransférase).

Par exemple, l'oxaloacétate et l'oxoglutarate se classent dans le modèle de levure parmi les quatre métabolites les plus efficaces sous-jacents à la tolérance dans les conditions réductrices et oxydatives, une caractéristique cohérente qui corrobore les résultats expérimentaux antérieurs (Chin et al., 2014 ; Williams et al., 2009) . D'autres métabolites importants comprennent l'hydroxybutyrate, dont il a été démontré de manière constante qu'il augmente la durée de vie, régule le NAD et médie la réponse à la famine (Edwards et al., 2014 ; Newman et Verdin, 2014), et la spermidine, qui appartient à la famille des polyamines et est connue pour jouent un rôle dans les processus liés à l'âge, l'autophagie et la protection de l'ADN (Eisenberg et al,2009 ; Minois et al.2011 : Pietrocola et al.2015).

Nous avons utilisé C.elegans et des modèles humains pour renforcer l'évaluation précédente, révélant une image plus large centrée sur l'homéostasie du pH, les couples redox et le cycle TCA. Cela suggère que les façons dont le pH (Burtner et al., 2009) et le déséquilibre du NADH (Ayer et al., 2014) déterminent la sénescence des cellules sont profondément liées. Au-delà du pH, les nutriments les plus répandus et les plus importants pour réguler le déséquilibre NADH / NAD plus sont les acides alpha-céto oxaloacétate et oxoglutarate, leurs formes aminées et d'autres métabolites liés aux mitochondries comme le malate, le pyruvate et le fumarate, c'est-à-dire le principal centre de le contrôle de l'équilibre redox est le cycle TCA.

À ce jour, les mécanismes par lesquels les acides aminés et les intermédiaires du cycle TCA ont un impact sur la prolongation de la durée de vie de la levure et de C. elegans restent obscurs. Les métabolites comme le malate, l'oxaloacétate, le fumarate, la valine, la sérine ou la thréonine peuvent en effet augmenter la durée de vie des organismes, mais les processus conduisant à ces effets sont débattus et complexes (Edwards et al., 2013, 2015). Nos résultats indiquent qu'une explication commune à tous ces phénomènes de pro-longévité réside dans l'effet des nutriments sur la capacité des cellules à tolérer des perturbations du rapport NADH/NAD plus.

On pourrait cependant soutenir que certains des métabolites considérés semblent évidents car ils sont après tout impliqués dans des réactions qui inter-convertissent le NADH et le NAD plus. La question est alors de savoir pourquoi d'autres métabolites qui paraissent aussi évidents a priori n'émergent pas dans nos résultats. La réponse réside dans les mécanismes qui garantissent des prédictions réalistes dans FBA. Pour qu'un nutriment soit « homéostatique » contre le déséquilibre redox, il doit non seulement augmenter la production de NADH ou de NADt, mais également se trouver au centre d'une voie ou d'un module avec un rendement élevé en ATP/NADH et/ou une capacité à fournir des constituants de la biomasse.

Enfin, deux autres enseignements tirés de nos résultats méritent d'être soulignés. D'une part, ils suggèrent qu'en réponse aux déséquilibres redox, les réseaux métaboliques sont sur le point de produire et/ou de consommer de plus en plus certains métabolites qui sont interprétés par les réseaux de signalisation comme excluant le besoin d'autophagie, de réponses antioxydantes et hormétiques, ainsi que de nombreux autres dont l'excès ou la supplémentation s'est avérée augmenter la durée de vie et / ou imiter autrement les effets de la restriction calorique (CR), d'une manière dépendante des voies de signalisation impliquées dans l'extension de la durée de vie médiée par la CR. Cela renforce les preuves antérieures liant la RC et l'équilibre NADH/NADH dans le cadre du même processus d'allongement de la durée de vie et de promotion de la santé (Lin et al., 2004).

D'autre part, notre étude montre qu'en réponse aux rapports modifiés, le métabolisme utilise également de plus en plus certaines substances qui peuvent endommager chimiquement la cellule, telles que l'acétate, la putrescine ou l'acétaldéhyde ; ainsi que certains qui peuvent favoriser la tumorigenèse par le biais de recâblages métaboliques, tels que la glutamine, le succinate et le fumarate (Sciacovell et al., 2016). Cela pourrait alors expliquer en partie les pathologies liées au déséquilibre redox et les processus macroscopiques dans lesquels il est impliqué, comme les maladies dégénératives et oncologiques : si le déséquilibre redox doit être tamponné avec des substances toxiques, alors ces substances sont probablement des mécanismes des pathologies qui coexistent. -survenir avec un déséquilibre redox.

Nous réalisons que notre approche du déséquilibre redox peut être comprise comme une variation inhabituelle de l'étude de la robustesse du réseau métabolique et qu'elle peut accuser certaines mises en garde qui laissent beaucoup de place à l'amélioration. En ce qui concerne la robustesse, les études utilisant la FBA la définissent traditionnellement comme un changement de la solution objective (généralement la croissance) en réponse à des réductions variables des taux de réaction, par exemple (Edwards et Palsson, 2000), plutôt qu'à une perturbation particulière (déséquilibre redox ) dans les métabolites comme nous le faisons. En ce qui concerne les limites de notre analyse, elles peuvent être liées aux limites intrinsèques de la FBA elle-même, comme l'absence de gènes régulateurs. En définitive, la fiabilité de nos résultats dépend du pouvoir prédictif des reconstructions métaboliques : les modèles de levure actuels sont prédictifs et avancés, mais ils ne sont pas parfaits (Heavner et Price, 2015), et encore, ils sont bien meilleurs que les modèles les plus courants. reconstructions multicellulaires précises disponibles. Malgré toutes ces préoccupations, de nombreuses preuves justifient la fidélité croissante des modèles métaboliques au comportement naturel.

Actuellement, la recherche dominante a tendance à ignorer les conséquences négatives potentielles d'une diminution indiscriminée du rapport NADH/NADH. Cela est en partie dû aux avantages prometteurs résultant des légères diminutions obtenues expérimentalement, qui comprennent la réduction des phénotypes néoplasiques, la durée de vie et l'extension de la durée de vie. Cependant, il existe des preuves émergentes qui recommandent une extrême prudence concernant ces résultats positifs (Gujarat al., 2016; Hong et al., 2019), ainsi qu'un cadre théorique solide et expérimentalement soutenu qui prédit les conséquences négatives de la diminution des ratios NADH/NADH au-delà un seuil (Aon et al., 2010). Nos profils de tolérance au déséquilibre NADH/NADt répondent à cette image émergente, car de légères déviations oxydatives peuvent être bénéfiques, mais des déviations plus élevées sont aussi nocives que l'extrême opposé.

Plus précisément, nos profils de tolérance suggèrent qu'en plus de causer des problèmes chimiques ou physiologiques, les rapports NADH/NADH faibles et élevés doivent également être confrontés à des inconvénients purement métaboliques, notamment une diminution de la disponibilité énergétique et/ou de la production biosynthétique. De plus, et comme nous l'avons souligné, les observations expérimentales limitées dont nous disposons sur certaines des questions que nous abordons semblent rappeler les résultats que nous rapportons ici.

Limites de l'étude

Les résultats présentés ici s'amélioreraient lorsque les modèles employés seraient encore affinés. Notre travail souffre également des limites intrinsèques de la FBA en tant que technique. Par exemple, les informations dynamiques sont hors d'atteinte, étant donné que les versions actuellement disponibles de l'analyse dynamique des flux ont une portée trop réduite. De même, l'absence de contraintes énergétiques implicites dans l'équilibre des flux diminue sa prédictivité pour des taux de croissance élevés. Cette faiblesse a motivé l'ajout de techniques telles que CAFBA, comme nous l'avons considéré dans le manuscrit. Enfin, il serait intéressant d'accéder à des informations réglementaires, qui peuvent être facilement contrôlées et activées ou désactivées. À l'heure actuelle, il n'existe pas d'approches standardisées pour mettre en œuvre la régulation des gènes dans la FBA. L'application des scores d'activité de réaction aux bornes de contrainte est prometteuse à cet égard.

Cet article est extrait de iScience 24, 102697, 23 juillet 2021