Gauthier_Nicolas_2013_these - Papyrus : Université de Montréal

Université de Montréal
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
Par
Nicolas Gauthier
Département de Biochimie
Faculté de Médecine
Thèse présentée à la Faculté des études supérieures
en vue de l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) en
Biochimie
Décembre 2012
© Nicolas Gauthier, 2012

Université de Montréal
Faculté des études supérieures
Cette thèse intitulée :
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
Présentée par :
Nicolas Gauthier
A été évaluée par un jury composé des personnes suivantes :
Dr. Luis A. Rokeach, président-rapporteur
Dr. Grant A. Mitchell, directeur de recherche
Dr. Yan Burelle, membre du jury
Dr Henri Brunengraber, examinateur externe
Dre Cheri Deal, représentante du doyen de la FES

iii
RÉSUMÉ
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

iv
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.
MOTS-CLEFS
Leucine, corps cétoniques, génétique biochimique, hypoglycémie,
hyperammoniémie, cétogenèse, CASTOR, erreurs innées du métabolisme,
syndrome de Reye, métabolisme énergétique

v
ABSTRACT
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