Etude de la voie catabolique du tryptophane dans différentes conditions pathologiques : exemple de la phénylcétonurie et perspectives dans les maladies cardiovasculaires

Tryptophan metabolic pathway in pathology : an example in phenylketonuria and cardiovascular disease prospect

• Auteur / Autrice : Lysiane Boulet-Le Gouar
• Direction : Patrice Faure, Patrice Flore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie physiopathologies pharmacologie
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Hypoxie : physiopathologie cardiovasculaire et respiratoire (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Pépin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Faure, Patrice Flore, Marie Nowoczyn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Labarthe, Didier Borderie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Syndromes des apnées du sommeil

Phénylcétonurie

Détérioration

Tryptophane

Mots clés libres

Tryptophane

Kynurénine

Phénylcétonurie

Indoleamine 2;3-Dioxygenase

Syndrome d'apnées du sommeil

Cardiovasculaire

Tryptophan

Kynurenine

Phenylketonuria

Indoleamine 2;3-Dioxygenase

Obstructive sleep apnea

Cardiovascular

Résumé

Le métabolisme du tryptophane (Trp) a été investigué dans différentes pathologies, incluant les maladies cardiovasculaires, la cancérologie et les maladies neurodégénératives. Le Trp, acide aminé essentiel, est catabolisé en périphérie et au niveau central selon 2 voies : celle des kynurénines, quantitativement majoritaire et impliquée dans les cardiopathies et la tolérance immune, et celle de la sérotonine, connue pour son implication dans la dépression et le sommeil. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’implication de cette voie métabolique dans la phénylcétonurie (PCU) et les maladies cardiovasculaires.Dans la première partie de ce travail, nous avons mis au point une technique analytique de dosage de 9 métabolites de la voie du Trp, incluant ses 2 voies cataboliques. La méthode proposée, en HPLC-MS/MS, est fiable, reproductible, peu coûteuse, avec un processus pré-analytique simple et une durée d’analyse de 15 min. Ses critères sont conformes aux exigences du laboratoire selon les recommandations de la norme NF EN ISO 15189.Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés au métabolisme du Trp dans la phénylcétonurie (PCU ; OMIM 261600). Cette maladie, due à un déficit de la phénylalanine hydroxylase hépatique (PAH ; EC 1.14.16.1), entraine une accumulation de phénylalanine (Phe) associée à un déficit en tyrosine. Cette pathologie, causant principalement un profond retard mental (QI < 50), est traitable grâce à l’instauration le plus précocement possible d’un régime restreint en Phe.Plusieurs éléments rapprochent le métabolisme du Trp de celui de la Phe, que ce soient les transporteurs, cofacteurs et enzyme chaperone communs, ou les inhibitions de l’une des voies par des métabolites de l’autre voie. De plus, certains adultes atteints de PCU présentent des dysfonctions neuropsychologiques inexpliquées par leur concentration de Phe sanguine, ce qui pourrait être dû à des modifications de la voie métabolique du Trp, plusieurs kynurénines possédant des propriétés neuroactives.Nous avons mis en évidence une modification du métabolisme du Trp dans une population phénylcétonurique adulte française (n=151 patients), avec en particulier une diminution des concentrations sanguines de kynurénine (KYN) et d’acide 3-hydroxykynurénique (3HK) par rapport à notre population de référence (p-value < 0.0001), ces résultats étant modulés par le type de régime suivi.La troisième partie de notre travail a consisté en l’évaluation du métabolisme du Trp dans le contexte des maladies cardiovasculaires. La prévention de ces pathologies est un enjeu de santé publique majeur, et se base sur la maitrise des facteurs de risque, dont le syndrome d’apnées obstructives du sommeil (SAOS) qui touche 6 à 17% des adultes à travers le monde. Ce syndrome se caractérise par un collapsus pharyngé partiel ou total, une fragmentation du sommeil et une augmentation des efforts respiratoires et donc des séquences d’hypoxie – réoxygénations (hypoxie intermittente) responsables d’une inflammation de bas grade. Plusieurs études explorant les maladies cardiovasculaires et le métabolisme du Trp ont été publiées récemment, mais très peu apportaient un lien mécanistique. Nous présentons ici les prochaines études cliniques et pré-cliniques que nous souhaitons mener dans ce domaine, afin de caractériser les modifications du métabolisme du Trp dans le SAOS traité ou non, mais également lors de l’hypoxie intermittente (modèle animal du SAOS) ou lors d’un réentrainement à l’effort.Il est à présent évident que la voie métabolique du Trp est impliquée dans différentes conditions pathologiques. Nous avons mis en évidence lors de ce travail ses modifications dans la PCU. L’impact physiopathologique des modifications observées reste cependant à explorer dans de nombreuses pathologies.

Tryptophan (Trp) metabolism was investigated in various pathology, including cardiovascular diseases, cancerology and neurodegenerative diseases. Trp, an essential aminoacid, is catabolized into two major pathways: kynurenine (KYN) pathway represents 98% of Trp catabolism and is involved in cardiopathy and immune tolerance, as serotonin (5HT) pathway is implicated in depression and sleep. In this work, we have studied Trp pathway in phenylketonuria (PKU) and cardiovascular diseases.Firstly, we developed a simple method for quantification of Trp and 8 of its metabolites, involved in both KYN and 5HT pathways, using liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry. This method, with a quick chromatographic runtime (15 min) and simple sample preparation, has been validated according to NF EN ISO 15189 criteria.Secondly, we explored Trp metabolism in phenylketonuria (OMIM 261600), a pathology caused by deficiency of phenylalanine hydroxylase enzyme (EC 1.14.16.1), that catalyses hydroxylation of phenylalanine (Phe) to tyrosine. Early low-Phe diet treatment, results in the prevention of severe mental retardation (IQ < 50) seen in untreated PKU patients.Many similarities between Trp and Phe metabolisms exist: transporters, cofactor and chaperone enzyme, and inhibition of one pathway by metabolites of the other pathway. As some of these metabolites have neuroactive properties, they should be considered in neurological impairment seen in this pathology and not totally explained by blood Phe concentrations.We assessed here a change of Trp metabolism in 151 adult PKU patients, with diminution of plasmatic concentrations of KYN and 3-hydroxykynurenic acid (3HK) in PKU patients compared to general population (P < .0001). These modifications were modified by diet type.In third line, we evaluated Trp metabolism in cardiovascular diseases. Prevention of these diseases representes a serious public health issue, based on diminution of co-morbidities like obstructive sleep apnoea (OSA). This syndrome affects 6-17% of adults worldwide, and is characterized by complete or partial pharyngeal collapse, sleep fragmentation and increased respiratory efforts, resulting in intermittent hypoxia and low-grade inflammation. Recent studies have explored Trp metabolism in cardiovascular diseases, but mainly in epidemiologic studies. We highlighted here clinical and preclinical studies that we will conducted in this field, in the way to characterized Trp modification in treated or untreated OSA, intermittent hypoxia (animal model of OSA) and exercise training.Trp metabolism is clearly involved in various pathological conditions. In this work, we have highlighted its modification in PKU. Physiopathological impact of these modifications have to been explored in various pathologies.