PFKFB2 governs the metabolic flux between rod and cone photoreceptors
Contraintes exercées sur la direction des flux métaboliques dans la rétine : l’interaction entre les bâtonnets et les cônes
Résumé
In patients with retinopathy pigmentosa (RP), cones degenerate after rods, regardless of the mutation of one of the 69 genes known to cause this inherited disease. Rod-derived Cone Viability Factor (RdCVF) which is produced by alternative splicing of the nucleoredoxin-like 1 (NXNL1) gene is secreted by rods and exerts a protective effect on cones by binding to its receptor on the surface of cones, a complex composed of basigin-1 (BSG1) and the glucose transporter, GLUT1. RdCVF stimulates the entry of glucose which is metabolized by the cones via aerobic glycolysis to allow the daily renewal of their outer segments. This renewal is essential for central vision in humans and vision of cones in all mammals. RdCVF is a future therapy for RP. As part of a pharmacological program on age-related macular degeneration, I have identified with my colleague a new acetogenin that also stimulates cone survival via aerobic glycolysis. By investigating the mechanism of action of this molecule, we identified PFKFB2, a bifunctional enzyme, as a member of the metabolic signaling of RdCVF. Indeed, PFKFB2 messenger expression is regulated by RdCVF in cones via the action of intracellular glucose. I was able to identify and validate in cones the role of a response element, binding the transcription factor MONDOA in the PFKFB2 promoter. Inactivation of the Pfkfb2 gene in cones leads to vision loss in mice. My results show that the PFKFB2 protein is expressed specifically by cones. Paradoxically, the messenger of the Pfkfb2 gene is expressed in rods and cones. We have shown that the Pfkfb2 gene produces several different messenger RNAs, with or without a microRNA-targeted element (miR182). An in silico study shows that the messenger RNA containing the miR182-targeted element is the majority in the retina. The expression profile study in rd1 mice shows that the isoform with the miR182-targeted element is expressed by rods and a second one without this element is expressed by cones. The bi-functional enzyme PFKFB2 regulates the production or destruction of fructose 2,6 biphosphate (F26BP), the major allosteric activator of phosphofructokinase, the limiting enzyme of glycolysis, by the differential action of its two domains, kinase or phosphatase. Insulin signaling inactivates the phosphatase domain of PFKFB2 and by promoting the production of F26BP, stimulates aerobic glycolysis in the absence of RdCVF. I showed that ectopic expression of the PFKFB2 kinase domain (PFKFB2KD) protects cones in vitro. Mathematical modeling of the system shows that the presence of PFKFB2 in cones directs the metabolic flux of RdCVF from rods to cones. PFKFB2 is a biological transistor that amplifies the RdCVF signal by accelerating the glycolytic flux in the cones.My work shows that the glycolytic flux in cones relies on RdCVF, via PFKFB2, and on the action of insulin, via a kinase that is not clearly identified. It is thus conceivable that the combination of RdCVF and PFKFB2KD could allow us to progress from the concept of protection of central vision in patients suffering from RP to restoration of central vision by stimulation of the reconstruction of the outer segments of the cones in most patients for whom blindness does not result from the death of the cones but from the loss of their outer segment.
Chez les patients souffrant de rétinopathie pigmentaire (RP), les cônes dégénèrent après les bâtonnets, indépendamment de la mutation de l'un des 69 gènes connus pour causer cette maladie héréditaire. Rod-derived Cone Viability Factor (RdCVF) qui est produit par épissage alternatif du gène nucleoredoxin-like 1 (NXNL1) est sécrété par les bâtonnets et exerce un effet protecteur sur les cônes en se liant à son récepteur à la surface des cônes, un complexe composé de basigine-1 (BSG1) et du transporteur de glucose, GLUT1. RdCVF stimule l’entrée du glucose qui est métabolisé par les cônes via la glycolyse aérobie pour permettre le renouvellement quotidien de leurs segments externes. Ce renouvellement est essentiel à la vision centrale chez l’homme et à la vision des cônes chez tous les mammifères. RdCVF est une future thérapie pour la RP. Dans le cadre d’un programme pharmacologique sur la dégénérescence maculaire lié à l’âge, j’ai identifié avec ma collègue une nouvelle acétogénine qui stimule elle aussi la survie des cônes via la glycolyse aérobie. C’est par la recherche du mécanisme d’action de cette molécule que nous avons identifié PFKFB2, une enzyme bifonctionelle, comme un membre de la signalisation métabolique d RdCVF. En effet, l’expression du messager de PFKFB2 est régulée par RdCVF dans les cônes via l’action du glucose intracellulaire. J’ai pu identifier et valider dans les cônes le rôle d’un élément de réponse, liant le facteur de transcription MONDOA dans le promoteur de PFKFB2. L’inactivation du gène Pfkfb2 dans les cônes entraine une perte de la vision chez la souris. Mes résultats montrent que la protéine PFKFB2 est exprimé spécifiquement par les cônes. Paradoxalement, le messager du gène Pfkfb2 est exprimé dans les bâtonnets et les cônes. Nous avons mis en évidence que le gène Pfkfb2 produisait plusieurs ARN messagers différents, avec ou sans élément ciblé par le microARN (miR182). Une étude in silico montre que l’ARN messager contenant l’élément ciblé par miR182 est majoritaire dans la rétine. L’étude du profil d’expression chez la souris rd1 montre que l’isoforme avec l’élément ciblé par miR182 est exprimée par les bâtonnets et un second ne possédant cet élément est exprimé par les cônes. L'enzyme bi-fonctionnelle PFKFB2 régule la production ou la destruction du fructose 2,6 biphosphate (F26BP), le principal activateur allostérique de la phosphofructokinase, l'enzyme limitante de la glycolyse, par l’action différentielle de ces deux domaines, kinase ou phosphatase. La signalisation de l’insuline inactive le domaine phosphatase de PFKFB2 et en favorisant la production de F26BP, stimule la glycolyse aérobie en l’absence de RdCVF. J’ai montré que l'expression ectopique du domaine kinase PFKFB2 (PFKFB2KD) protège les cônes in vitro. La modélisation mathématique du système montre que la présence de PFKFB2 dans les cônes dirige le flux métabolique de RdCVF des bâtonnets vers les cônes. PFKFB2 est un transistor biologique qui amplifie de signal RdCVF en accélérant le flux glycolytique dans les cônes.Mon travail montre que le flux glycolytique des cônes repose sur RdCVF, via PFKFB2 et de l’action de l’insuline, via une kinase qui n’est pas clairement identifiée. Il est ainsi concevable que la combinaison RdCVF et PFKFB2KD puisse nous permettre de progresser du concept de protection de la vision centrale des patients souffrant de RP vers une restauration de la vision centrale par stimulation de la reconstruction des segments externes des cônes chez la plupart des patients pour lesquels la cécité ne résulte pas de la mort des cônes mais de la perte de leur segment externe.
Origine : Version validée par le jury (STAR)