L'oxydation des acides gras organise les supercomplexes mitochondriaux pour soutenir les ROS astrocytaires et la cognition

Métabolisme naturel (2023)Citer cet article

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Ayant un accès direct au système vasculaire cérébral, les astrocytes peuvent absorber les nutriments sanguins disponibles et les métaboliser pour répondre à leurs propres besoins énergétiques et fournir des intermédiaires métaboliques aux synapses locales1,2. Ces cellules gliales devraient donc être métaboliquement adaptables pour échanger différents substrats. Cependant, les études in vitro et in vivo montrent systématiquement que les astrocytes sont principalement glycolytiques3,4,5,6,7, ce qui suggère que le glucose est leur principal précurseur métabolique. Notamment, des données transcriptomiques8,9 et des études in vitro10 révèlent que les astrocytes de souris sont capables d'oxyder les acides gras au niveau mitochondrial et qu'ils peuvent détoxifier l'excès d'acides gras d'origine neuronale dans des modèles de maladies11,12. Pourtant, l’avantage métabolique factuel de l’utilisation des acides gras par les astrocytes et son impact physiologique sur les fonctions cérébrales d’ordre supérieur restent inconnus. Nous montrons ici que l’inactivation de la carnitine-palmitoyl transférase-1A (CPT1A) – une enzyme clé de l’oxydation des acides gras mitochondriaux – dans les astrocytes de souris adultes provoque des troubles cognitifs. Mécaniquement, la diminution de l'oxydation des acides gras a reprogrammé le métabolisme du pyruvate astrocytaire pour faciliter le flux d'électrons à travers une chaîne respiratoire mitochondriale super-assemblée, entraînant une atténuation de la formation d'espèces réactives de l'oxygène. Ainsi, les astrocytes métabolisent naturellement les acides gras pour préserver la chaîne respiratoire mitochondriale dans une conformation démontée énergétiquement inefficace qui sécurise la signalisation des espèces réactives de l’oxygène et maintient les performances cognitives.

Pour vérifier les niveaux d'expression des gènes codant pour l'utilisation des acides gras dans les astrocytes et les neurones, nous avons effectué des analyses de PCR quantitative avec transcription inverse (RT – qPCR), qui ont révélé une abondance accrue d'ARN messager dans la carnitine-palmitoyl transférase-1A (Cpt1a), responsable de entrée d'acyl-CoA à longue chaîne dans les mitochondries - et diminution de l'acétyl-CoA carboxylase-1 (Acc1) - responsable de la biosynthèse de l'abondance de l'ARNm de malonyl-CoA14, inhibiteur de CPT1A−, dans les astrocytes primaires de souris par rapport aux neurones (Fig. 1a supplémentaire) . De plus, l'abondance de l'ARNm de l'isoforme mitochondriale Acc2, qui se trouve hautement enrichie dans les tissus oxydatifs tels que le muscle squelettique et le cœur15, de l'acétyl-CoA déshydrogénase à longue chaîne (Acadl), qui catalyse l'étape initiale de l'oxydation des acides gras mitochondriaux, de le Cpt1c situé dans le réticulum endoplasmique et la protéine trifonctionnelle α mitochondriale (Mtpα), fonctionnellement responsable du transfert d'électrons des acides gras mitochondriaux à longue chaîne vers les complexes respiratoires mitochondriaux I (CI) et III (CIII) 16, se sont révélés plus élevés dans astrocytes contre neurones (Fig. 1a supplémentaire). Bien qu’il s’agisse de valeurs relatives, elles sont en cohérence avec des observations antérieures8,9,10 suggérant que les astrocytes sont mieux équipés que les neurones pour oxyder par les mitochondries les acides gras à longue chaîne. Pour soutenir fonctionnellement cette affirmation, le taux de consommation d'oxygène (OCR) a été analysé dans les astrocytes et les neurones à l'aide de la technologie Seahorse dans un milieu à base de glucose en l'absence ou en présence d'étomoxir : un inhibiteur puissant et irréversible de CPT1 (réf. 17). Comme le montre la Fig. 1b supplémentaire, la respiration basale des mitochondries s'est avérée environ 1, 7 fois plus élevée dans les neurones que dans les astrocytes, confirmant les découvertes précédentes . Notamment, la proportion d'inhibition de l'OCR mitochondriale par l'étomoxir était d'environ 20 % dans les neurones et d'environ 35 % dans les astrocytes (Fig. 1b supplémentaire), ce qui indique que les acides gras sont des substrats respiratoires mitochondriaux préférés pour les astrocytes plutôt que pour les neurones. Environ 62% de la respiration mitochondriale astrocytaire liée à l'ATP était soutenue par les acides gras (Fig. 1b supplémentaire).

Pour étudier l'avantage métabolique de l'oxydation des acides gras mitochondriaux dans les astrocytes in vivo, afin de surmonter les inconvénients potentiels des inhibiteurs pharmacologiques, nous avons génétiquement conçu un modèle de souris knock-out (KO) Cpt1a spécifique aux astrocytes. Pour ce faire, des souris Cpt1alox/lox19 âgées de 2 mois ont reçu une injection intraveineuse, via le sinus rétro-orbitaire20, de particules de virus adéno-associé (AAV) de sérotype PHP.eB exprimant la recombinase Cre régie par l'acide gliale-fibrillaire spécifique aux astrocytaires. court-promoteur de la protéine (GFAP) (PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP) (Fig. 1a). Ce traitement était efficace, à en juger par la large expression de la protéine fluorescente verte (GFP) dans le cerveau (Fig. 1c supplémentaire). Les contrôles (type sauvage, WT) étaient des souris Cpt1alox / lox ayant reçu des doses équivalentes des mêmes particules virales, sauf qu'elles manquaient de recombinase Cre, et toutes les souris ont été analysées après 1 à 9 mois (Fig. 1a). Comme le montre la figure 1b (figure supplémentaire 1d), le traitement PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP a entraîné une réduction significative de l'abondance de la protéine CPT1A cérébrale. Étant donné que le cerveau contient d'autres types de cellules que les astrocytes, nous avons également analysé l'abondance de CPT1A dans des astrocytes ex vivo isolés immunomagnétiquement du cerveau des souris adultes CPT1A KO (Fig. 1a), ce qui a révélé l'abolition de CPT1A spécifiquement chez les astrocytes positifs (ACSA +). fraction, mais pas dans la fraction négative pour les astrocytes (ACSA−) (Fig. 1c). Pour vérifier l'efficacité fonctionnelle de CPT1A KO, des tranches de cerveau fraîchement isolées ex vivo de souris adultes ont été incubées avec de l'acide [U-14C] palmitique pour évaluer le taux de production de 14CO2 en tant qu'indice du flux d'oxydation des acides gras. Comme le montre la figure 1d, le flux d'oxydation dans le cerveau était significativement réduit d'environ 75 % chez les souris CPT1A KO par rapport aux souris WT. Pour expliquer si la perte de CPT1A astrocytaire a modifié d'autres voies du métabolisme cérébral, nous avons effectué une métabolomique non ciblée dans des échantillons de cerveau. Comme le montre le tracé du volcan (Fig. 1e supplémentaire) et la carte thermique (Fig. 1f supplémentaire), nous avons constaté une diminution significative de 17 métabolites et une augmentation significative de 43 métabolites dans le cerveau des souris CPT1A KO spécifiques aux astrocytes. Les résultats ont révélé une abondance accrue d'acides gras à chaîne longue et de dérivés d'acyl-carnitine à chaîne longue, ainsi qu'une diminution de l'abondance d'acides gras à chaîne courte (Fig. 1e), suggérant une diminution de l'utilisation d'acides gras à chaîne longue et une augmentation de l'utilisation d'acides gras à chaîne courte. Notamment, la concentration de pyruvate a diminué de manière significative d'environ 26% dans le cerveau des souris CPT1A KO spécifiques aux astrocytes (Fig. 1e), suggérant une altération du métabolisme de ce produit intermédiaire glycolytique.