Bioenergetic consequences of the hyperosmotic shock
Conséquences bioénergétiques du choc hyperosmotique
Résumé
Metabolic alterations associated with inflammation include increased recruitment of glycolysis (lactate release) and repression of mitochondrial oxidative phosphorylation. Inflammation causes hyperosmolar conditions in the extracellular medium. This thesis examines the consequences of hyperosmolarity on cellular bioenergetics. For this purpose we measured the cellular oxygen consumption rate (OCR) and proton production rate (PPR) for lactate release in the external medium. Two methodologies were used the high-resolution respirometer (O2k Oroboros Instruments) for OCR and the extracellular flux analyzer (Seahorse, Agilent) for OCR and PPR. The exposure cells to hypertonic conditions (600 milliOsmoles while normal value is 300) causes within few minutes a decrease in OCR (cellular respiration) that lasts for hours (indefinitely) and in the long term impact on cellular viability. This effect was observed with four different cell lines CHO (ovarian epithelial), HT29 (colonocytes), HEK293 (Embryonic kidney) and SH-SY5Y (Neuroblastoma). It was shown to be caused by three different osmolytes: Mannitol, polyethylene glycol, sodium chloride. A milder osmotic challenge (450 mOsm) caused a similar initial decrease but with restoration of initial OCR within few hours. The mechanisms underlying this effect have been investigated, hyperosmolarity impacts on mitochondrial respiration at different steps. A first effect is the inhibition of the mitochondrial ATP production step. In presence of glucose this is accompanied by a large increase in glycolysis (lactate release) that causes further mitochondrial inhibition by a second mechanism, which is likely to represent an enhancement of the Crabtree effect (inhibition of respiration by glycolysis) that impacts on respiratory complexes. In absence of glucose the cellular ATP turnover is seriously repressed surprisingly cellular survival is rather improved. These results raise therefore the question of the possible contribution of the hyperosmotic conditions caused by inflammation in the acquisition of the inflammatory metabolic profile.
L'inflammation est associée à des modifications du métabolisme cellulaire avec une glycolyse (libération de lactate) accrue accompagnée d'une baisse de la phosphorylation oxydative mitochondriale. L'inflammation cause l'hyperosmolarité du milieu extracellulaire. Cette thèse examine les effets de l'hyperosmolarité sur le métabolisme énergétique cellulaire. Nous avons mesuré la consommation d'oxygène cellulaire (OCR) et la production d'acide (PPR) c'est à dire de lactate libéré dans le milieu extérieur avec deux approches expérimentales : l'oxygraphie haute résolution (O2k Oroboros instrument) pour l'OCR et l'analyseur de flux extracellulaires (Seahorse Agilent) pour l'OCR et le PPR. L'exposition de cellules à des conditions hyperosmolaires (600 mOsmoles au lieu de la valeur normale 300) cause une répression de la consommation d'oxygène qui s'établit en quelques minutes et dure des heures (indéfiniment?) et à la longue affecte la viabilité cellulaire. Cet effet a été retrouvé sur plusieurs types cellulaires: CHO (épithélium ovarien), HT29 (colonocytes), HEK293 (rein embryonnaire), SH-SY5Y (neuroblastome). Il est reproduit avec trois osmolytes différents: le mannitol, le polyéthylène glycol et le chlorure de sodium. Un stress osmotique plus modéré (450 mOsm) cause une même chute de la respiration mais de durée limitée (une-deux heures). Une recherche des mécanismes à l'origine de cette inhibition montre que l'hyperosmolarité altère la fonction mitochondriale de différentes manières. Un premier effet est une inhibition du système enzymatique de production d'ATP. En présence de glucose cette inhibition s'accompagne d'une importante augmentation de la glycolyse qui cause une inhibition mitochondriale supplémentaire qui repose sur l'amplification de l'effet Crabtree (inhibition de la respiration par le glucose) dont la cible sont les complexes respiratoires. En l'absence de glucose le turnover cellulaire e l'ATP est sérieusement diminué mais de façon inattendue la survie cellulaire est plutôt meilleure. Ces résultats posent la question de la contribution des conditions hyperosmotiques liées à l'inflammation dans l'établissement d'un profil métabolique de type inflammatoire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)