Physiopathologie des maladies métaboliques héréditaires des acyls-Coenzyme A révélée par l’étude d’un modèle animal déficient en 3-hydroxy-3-méthylglutaryl-Coenzyme A lyase

Abstract

La plupart des conditions détectées par le dépistage néonatal sont reliées à l'une des enzymes qui dégradent les acyls-CoA mitochondriaux. Le rôle physiopathologique des acyls-CoA dans ces maladies est peu connue, en partie parce que les esters liés au CoA sont intracellulaires et les échantillons tissulaires de patients humains ne sont généralement pas disponibles. Nous avons créé une modèle animal murin de l'une de ces maladies, la déficience en 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase (HL), dans le foie (souris HLLKO). HL est la dernière enzyme de la cétogenèse et de la dégradation de la leucine. Une déficience chronique en HL et les crises métaboliques aigües, produisent chacune un portrait anormal et distinct d'acyls-CoA hépatiques. Ces profils ne sont pas prévisibles à partir des niveaux d'acides organiques urinaires et d'acylcarnitines plasmatiques. La cétogenèse est indétectable dans les hépatocytes HLLKO. Dans les mitochondries HLLKO isolées, le dégagement de 14CO2 à partir du [2-14C]pyruvate a diminué en présence de 2-ketoisocaproate (KIC), un métabolite de la leucine. Au test de tolérance au pyruvate, une mesure de la gluconéogenèse, les souris HLLKO ne présentent pas la réponse hyperglycémique normale. L'hyperammoniémie et l'hypoglycémie, des signes classiques de plusieurs erreurs innées du métabolisme (EIM) des acyls-CoA, surviennent de façon spontanée chez des souris HLLKO et sont inductibles par l'administration de KIC. Une charge en KIC augmente le niveau d'acyls-CoA reliés à la leucine et diminue le niveau d'acétyl-CoA. Les mitochondries des hépatocytes des souris HLLKO traitées avec KIC présentent un gonflement marqué. L'hyperammoniémie des souris HLLKO répond au traitement par l'acide N-carbamyl-L-glutamique. Ce composé permet de contourner une enzyme acétyl-CoA-dépendante essentielle pour l’uréogenèse, le N-acétylglutamate synthase. Ceci démontre un mécanisme d’hyperammoniémie lié aux acyls-CoA. Dans une deuxième EIM des acyls-CoA, la souris SCADD, déficiente en déshydrogénase des acyls-CoA à chaînes courtes. Le profil des acyls-CoA hépatiques montre un niveau élevé du butyryl-CoA particulièrement après un jeûne et après une charge en triglycérides à chaîne moyenne précurseurs du butyryl-CoA.

Most conditions detected by expanded newborn screening result from deficiency of one of the enzymes that degrade acyl-CoA esters in mitochondria. The role of acyl-CoAs in the pathophysiology of these disorders is poorly understood, in part because CoA esters are intracellular and samples are not generally available from human patients. We created a mouse model of one such condition, deficiency of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase (HL), in liver (HLLKO mice). HL catalyses a reaction of ketone body synthesis and of leucine degradation. Chronic HL deficiency and acute crises each produced distinct abnormal liver acyl-CoA patterns, which would not be predictable from levels of urine organic acids and plasma acylcarnitines. In HLLKO hepatocytes, ketogenesis was undetectable. Measures of Krebs cycle flux diminished following incubation of HLLKO mitochondria with the leucine metabolite 2-ketoisocaproate (KIC). HLLKO mice also had suppression of the normal hyperglycemic response to a systemic pyruvate load, a measure of gluconeogenesis. Hyperammonemia and hypoglycemia, cardinal features of many inborn errors of acyl-CoA metabolism, occurred spontaneously in some HLLKO mice and were inducible by administering KIC. KIC loading also increased levels of several leucine-related acyl-CoAs and reduced acetyl-CoA levels. Ultrastructurally, hepatocyte mitochondria of KIC-treated HLLKO mice show marked swelling. KIC-induced hyperammonemia improved following administration of carglumate (N-carbamyl-L-glutamic acid), which bypasses an acetyl-CoA-dependent reaction essential for urea cycle function, thus demonstrating an acyl-CoA-related mechanism for this complication. In a second animal model of an inborn error of acyl-CoA metabolism, short chain acyl-CoA dehydrogenase (SCAD)-deficient mice, the main finding in liver acyl-CoAs is increased butyryl-CoA, particularly during fasting or after enteral loading with medium chain triglyceride precursor of butyryl-CoA.