Cibler le cycle du TCA peut améliorer le déficit énergétique axonal généralisé dans les lésions neuroinflammatoires

Nature Metabolism volume 5, pages 1364-1381 (2023)Citer cet article

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L'inflammation du système nerveux central peut altérer la fonction des mitochondries neuronales et contribue à la dégénérescence des axones dans la sclérose en plaques (SEP), une maladie neuroinflammatoire courante. Ici, nous combinons la protéomique mitochondriale spécifique à un type de cellule avec l’imagerie par biocapteur in vivo pour analyser la manière dont l’inflammation modifie la composition moléculaire et la capacité fonctionnelle des mitochondries neuronales. Nous montrons que les lésions neuroinflammatoires dans la moelle épinière de la souris provoquent un déficit axonal répandu et persistant en ATP, qui précède l'oxydation mitochondriale et la surcharge en calcium. Ce déficit d'énergie axonale est associé à une altération du fonctionnement de la chaîne de transport d'électrons, mais également à un déséquilibre en amont des enzymes du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA), plusieurs enzymes, notamment limitantes, étant épuisées dans les mitochondries neuronales dans les modèles expérimentaux et dans les lésions de SEP. Notamment, la surexpression virale des enzymes individuelles du TCA peut améliorer les déficits énergétiques axonaux dans les lésions neuroinflammatoires, ce qui suggère que le dysfonctionnement du cycle du TCA dans la SEP pourrait être modifié par un traitement.

La SEP est une maladie neurologique courante dans laquelle l'inflammation du système nerveux central (SNC) entraîne une perte de myéline et une neurodégénérescence progressive. Bien que l'importance de ces processus neurodégénératifs pour l'invalidité à long terme des patients atteints de SEP soit bien établie1,2,3, les liens mécanistiques entre l'inflammation du SNC et la neurodégénérescence restent à résoudre. De nouvelles preuves provenant de patients atteints de SEP et des modèles animaux correspondants indiquent que les mitochondries neuronales pourraient être des centres critiques qui transforment les signaux inflammatoires en conséquences neurodégénératives. Ce concept est non seulement soutenu par la fonction essentielle des mitochondries dans l'homéostasie énergétique neuronale4, mais également par des études antérieures montrant (1) que les mitochondries endommagées s'accumulent dans les axones situés dans des lésions neuroinflammatoires expérimentales et humaines5,6,7 ; (2) que les mitochondries neuronales acquièrent des délétions d’ADN au cours de la maladie8 ; et (3) que de tels dommages mitochondriaux induits par l'inflammation altèrent la fonction de la chaîne de transport d'électrons (ETC) 2,9.

Les lésions mitochondriales pourraient ainsi être initiées dès les lésions hautement inflammatoires des premiers stades de SEP, puis s'amplifier au cours de la maladie. Ce processus établirait un lien non seulement entre l’inflammation et la neurodégénérescence, mais également entre les poussées-rémissions initiales et la pathologie progressive ultérieure2,9. Grâce à ces découvertes, les mitochondries sont devenues une cible thérapeutique prometteuse pour prévenir la neurodégénérescence tout au long de l’évolution de la SEP. Malheureusement, jusqu’à présent, de telles stratégies n’ont pas réussi à apporter des bénéfices cliniques solides, du moins dans le cadre d’essais cliniques à grande échelle10. L’une des raisons qui sous-tendent cet échec est que notre compréhension de la façon dont la machinerie moléculaire et la capacité fonctionnelle des mitochondries sont altérées dans les lésions neuroinflammatoires est encore incomplète. De plus, la plupart des études menées jusqu’à présent se sont concentrées sur les déficiences de l’ETC8,11, qui pourraient être difficiles à cibler thérapeutiquement compte tenu de la structure complexe des complexes macromoléculaires sous-jacents et de leur génétique.

Nous appliquons ici de nouvelles stratégies d’imagerie in vivo combinées à une analyse protéomique ex vivo sélective des mitochondries neuronales dans un modèle murin de SEP (encéphalomyélite auto-immune expérimentale ; EAE) pour étudier les fondements moléculaires et les conséquences fonctionnelles de la pathologie mitochondriale induite par l’inflammation. Nous révélons qu'un déficit axonal généralisé en ATP est initié dans les lésions neuroinflammatoires aiguës et persiste au stade de la maladie chronique. Ces déficits bioénergétiques précèdent la dyshoméostasie rédox mitochondriale ou calcique. L'analyse protéomique sélective basée sur MitoTag des mitochondries neuronales isolées de la moelle épinière EAE aiguë et chronique a plutôt révélé un déséquilibre des enzymes critiques du cycle du TCA, avec une perte importante de plusieurs enzymes, notamment l'isocitrate déshydrogénase 3 (Idh3) et la malate déshydrogénase 2 (Mdh2). Notamment, la déplétion de ces enzymes clés du cycle du TCA dans les mitochondries neuronales est également apparente dans les lésions humaines liées à la SEP. Enfin, nous montrons que la thérapie génique virale, surexprimant la sous-unité catalytique de Idh3 ou Mdh2, peut inverser partiellement les déficits axonaux en ATP dans les lésions neuroinflammatoires. Notre étude permet ainsi de mieux comprendre comment la composition moléculaire des mitochondries neuronales change en réponse à la neuroinflammation. Nous identifions l'épuisement des enzymes du cycle du TCA comme un médiateur essentiel de la crise énergétique axonale qui se produit dans les lésions neuroinflammatoires, définissant ainsi une cible potentielle pour une intervention thérapeutique.

control mean + 3 × s.d. (orange line) in each axon stage. f, Experimental design to measure mitochondrial Ca2+ levels ([Ca2+]mito) in EAE. g, Maximum intensity projections of in vivo multi-photon images of spinal cord axons of control (top) and acute EAE (bottom) in Thy1-mitoTwitch2b × Thy1-OFP mice. OFP channel shown with grayscale LUT (left). Ratiometric LUT of [Ca2+]mito (yellow fluorescent protein (YFP) to cyan fluorescent protein (CFP) emission ratio) (right). h, Details from g. Mitochondria morphologies and Ca2+mito represented as in c; grayscale LUT of OFP channel above ratiometric Ca2+mito images (top to bottom). i, Average Ca2+mito of single axons in control and acute EAE mice normalized to mean of controls (mean ± s.e.m.; 138 axons from nine control mice and 192 axons from 11 EAE mice compared by one-way ANOVA and Tukey’s multiple comparison test). j, Single-organelle correlation analysis of mitochondrial shape factor (length:width ratio) and [Ca2+]mito of axons plotted in i. Percentages indicate fraction of mitochondria with [Ca2+]mito > control mean + 3 × s.d. (orange line) in each axon stage. Arrow heads indicate axons with different FAD stages. Scale bars, 25 μm (b,g) and 10 μm (c,h). ****P < 0.001. See source data for individual data points and further statistical parameters. Illustration created with BioRender./p>50% of the samples within one experimental group) were imputed by multiple imputations by chained equations (MICE, R package ‘mice’). LFQ values were log2-transformed. For subsequent analysis, LFQ values were treated as interval scale values. To test the similarity of samples within the respective experimental group and to identify outliers, principal-component analysis was performed. Subsequently, outliers were removed from further analyses. The first two principal components with their explained variance of each sample were visualized. To test whether a protein was differentially expressed between the EAE and control group, we calculated a Student’s t-test and a fold change of the LFQ values between the experimental groups. To control type I error inflation, P values were corrected according to Bonferroni./p>

90%; QSM > 100%, with 75% being the standard cutoff). To evaluate energetic capacities, the model calculates the changes of metabolic state due to increasing the rate of ATP consumption above the resting value, with the ATP consumption rate being modeled by a generic hyperbolic rate law of the form vATP = kload × (ATP / ATP + Km). To model increased ‘metabolic load’, the parameter kload was increased in steps until convergence of the ATP production rate to its maximal value./p>

150 mitochondria from 8 axons, three mice). Percentages indicate the fraction of axons with [Ca2+]mito > mean + 3 SD of values pre-lesion (orange line). Scale bars: 1000 μm in d, left; 500 μm in d, right; 20 μm in e; 10 μm in inset. See source data for individual data points and further statistical parameters. Illustration created with BioRender./p>

0.9999, EAE + CCCP versus stage 0, 1 and 2, respectively. (e) [pH]axon of single axons measured by using SypHer3s sensor in control and acute EAE mice normalized to mean of controls. Mean ± s.e.m.; n = 34 axons from two control and 34 axons from two EAE mice, compared Kruskal-Wallis and Dunn’s multiple comparison test, p > 0.9999, control versus stage 0, 1 and 2, respectively. Scale bars: 25 μm in b; 10 μm in c. **, p < 0.01; ****, p < 0.001. See source data for individual data points and further statistical parameters. Illustration created with BioRender./p>