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Vers une Meilleure Compréhension
de la Régulation Métabolique

Cette page est basée sur le texte de l'article Vers une meilleure compréhension de la régulation métabolique par Athel Cornish-Bowden dans Pharmacocinétique et biodistribution du médicament. Thérapie génique anti-sens (éd. J.-M. Lhoste et C. Hélène), Editions INSERM, 1997, pp. 15-25. Je remercie Mme. Odile Robert pour son aide précieuse dans l'écriture du texte français. Malheureusement il n'a été possible que d'inclure le texte (pas de figures, tableaux ; quelques equations manquent aussi.

Introduction

Le développement de la biologie moléculaire pendant les dernières années a produit une très grande augmentation de l'activité en biotechnologie. D'importants efforts appuyés sur la biologie moléculaire ont été faits pour améliorer la production microbienne des métabolites utiles et pour trouver de nouvelles voies de production. Néanmoins, à l'examen des résultats de l'énorme investissement financier et humain, on ne peut qu'être très déçu, parce qu'il n'y a apparemment pas de bons exemples d'augmentation importante de rendement obtenus par les techniques modernes de clonage et de génie génétique. Pourquoi ? Notre diagnostic est que l'enzymologie classique a peut être été trop oubliée et que seule une théorie moderne de la régulation permettra vaiment de faire progresser la situation actuelle des biotechnologies.

Figure 1. Voie de biosynthèse du tryptophane dans la levure, (a) comme montrée typiquement dans les textes de biochimie, (b) montreé avec une étape d'utilisation du  produit final , laquelle est nécessaire pour comprendre la régulation en terms d'offre et demande. Les enzymes sont les suivantes : E1, anthranilate synthase ; E2, anthranilate phosphoribosyl transférase ; E3, phosphoribosylanthranilate isomérase ; E4, indoleglycérol phosphate synthase ; E5, tryptophane synthase. E6 représente non seulement la tryptophane tRNA synthétase mais aussi tout le processus de synthèse de protéine (représentée très brièvement comme une seule étape). [Basé sur la Figure 1 de Cornish-Bowden et coll. (1995)]

Examinons un travail récent de Niederberger et coll. (1992) sur la biosynthèse du tryptophane dans la levure Saccharomyces cerevisiae (Figure 1). Pour quatre des cinq enzymes de la voie de biosynthèse, ces auteurs ont trouvé que n'importe quelle augmentation de l'activité d'une seule enzyme n'a presque aucun effet sur la production du tryptophane. Ainsi, l'augmentation de l'activité de l'indoleglycérol phosphate synthase par un facteur de 50 n'a aucun effet sur le flux vers le tryptophane. L'augmentation de l'activité de la phosphoribosyltransférase par un facteur de 20 n'a donné qu'une augmentation de 30% du flux etc...? Comment expliquer ces résultats ?

L'explication  classique  de ces résultats avance que l'anthranilate synthase, l'enzyme E1 qui catalyse la première réaction, est l'enzyme  clé  de cette voie, c'est-à-dire qu'elle en contrôle le flux. Cette explication ne  tient  pas car lorsque l'activité de cette enzyme a été augmentée par un facteur 30 parallèlement à deux autres activités augmentées par facteurs de 30 et 40, l'effet sur le flux n'a été que de 20%. On obtient une augmentation importante du flux vers le tryptophane seulement par accroissement des cinq activités enzymatiques (ou de toutes sauf de celle de la phosphoribosylisomérase, E3, laquelle apparemment a très peu d'importance). Cependant, l'accroissement du flux n'est pas aussi important que celui des activités enzymatiques.

Cette étude, la plus détaillée qui existe dans la littérature, n'est pas la seule. Ainsi, par exemple, on a fait des essais assez semblables pour augmenter le rendement de l'éthanol dans la levure. On cherche en vain des exemples de réussite.

Il semblerait que plus de l'optimisme qu'une vraie compréhension du comportement des voies métabolique, guide les efforts pour utiliser le génie génétique à des fins biotechnologiques. Plus important, il est probable que ces buts ne seront atteints sur une échelle significative qu'avec le développement d'une théorie moderne de la régulation métabolique.

A partir de la découverte de la rétroinhibition d'une enzyme par le produit final de la voie à laquelle elle appartient, les travaux classiques des années 1955-1970 ont donné beaucoup d'information sur les façons de modifier l'activité d'une enzyme dans la cellule. De plus, les études théoriques de cette époque ont donné une bonne compréhension des propriétés moléculaires qui permettent les variations de l'activité enzymatique.

La théorie du contrôle métabolique

Comprendre la régulation métabolique n'est pas seulement comprendre ses composants. Un système doit être considéré comme un vrai système, et pas seulement comme l'ensemble de ses composants. La théorie du contrôle métabolique développée par Kacser et Burns en Ecosse (1973) et de Heinrich et Rapoport en Allemagne (1974) peut être conçue comme une réaction contre une insistance excessive sur les rôles des enzymes individuelles. Cette théorie, qui était discutée par plusieurs auteurs dans un livre (Cornish-Bowden et Cárdenas, 1990), et qui est décrite plus récemment dans des articles de Fell (1992) et de Cornish-Bowden (1995), permet de donner une explication à l'insuccès des efforts entrepris pour accroître les rendements des produits utiles par augmentation des activités des enzymes dites  limitantes . Ces auteurs estiment que le concept d'enzyme limitante d'une voie métabolique n'a pas de sens. En réalité, chaque enzyme contribue au contrôle du flux dans des proportions qui ne peuvent pas être prévues a priori. De plus, même si une seule enzyme possède une part importante du contrôle total du flux, cette part diminue toujours si l'activité de l'enzyme est augmentée.

Pour exprimer l'effet d'un changement d'activité d'une enzyme dans un système, on définit un coefficient de contrôle de flux :

(1)

Il n'est pas obligatoire spécifier l'identité du paramètre p, parce que la valeur du coefficient n'en dépend pas. Si la vitesse vi est directement proportionelle à la concentration totale ei d'enzyme Ei, comme c'est souvent mais pas toujours le cas, on peut considérer p comme identique à ei, et dans ce cas la définition de devient plus simple. Cependant, bien que Kacser et Burns (1973) ont utilisé ce type de définition au début, il a produit le malentendu grave que la théorie du contrôle métabolique ne considère que les effets produits par changements des concentrations des enzymes, et la tendance actuelle est de préférer la définition plus générale exprimer par l'équation (1).

On définit d'autres types de coefficients de contrôle d'une façon similaire. Ainsi un coefficient de contrôle de concentration exprime un effet sur la concentration sj d'un intermédiaire Sj :

(2)

Les propriétés d'un système enzymatique dépendent des propriétés des enzymes composantes du système, mais les dépendances ne sont pas évidentes, et je ne discuterai cet aspect ici. Je me contenterai de donner deux relations de sommation, qui sont primordiales dans la théorie de contrôle. Pour le flux, cette relation exprime avec clarté l'idée du partage du contrôle :

(3)

Pour une concentration, l'idée correspondante est que les enzymes ont une tendance à annuler leurs effets :

(4)

Malgré l'importance de la théorie du contrôle métabolique pour la compréhension actuelle des systèmes d'enzymes, elle va peut-être un peu trop loin dans le rejet des idées classiques. En effet les mécanismes classiques sont indispensables pour expliquer la régulation, comme je le montrerai ci-dessous, bien qu'ils soient incomplets en l'absence de cette théorie du contrôle.

Supposons un réservoir d'eau alimenté par une source avec au fond une bonde d'évacuation. Lorsque la vitesse d'évacuation (sortie d'eau) est identique à celle de l'alimentation (arrivée d'eau), le niveau d'eau se stabilise à un point d'équilibre. Si on augmente de 2 fois le flux d'entré et de sortie d'eau, le niveau ne change pas. Ainsi lorsqu'on modifie d'un même facteur toutes les enzymes d'une voie métabolique, le flux change en proportion et les concentrenttions ne changent pas.

Incorporation des mécanismes classiques dans la théorie du contrôle

Nous estimons que les mécanismes classiques doivent être incorporés dans la théorie du contrôle, afin d'arriver à une théorie de la régulation. L'un des mécanismes le plus important à considérer est la rétroinhibition, où le produit  final  d'une voie inhibe l'activité de l'enzyme qui catalyse la première étape de sa biosynthèse à partir d'un réservoir de matériel initial. (Les molécules dites  finales  dans la biochimie ne sont pas des produits excrétés par l'organisme : elles sont les substrats d'autres voies.) La rétroinhibition est souvent coopérative, c'est-à-dire que l'enzyme inhibée répond à la concentration en inhibiteur avec plus de sensibilité que celle qu'on attend pour les mécanismes les plus simples. La coopérativité peut être exprimée en termes d'un paramètre h égal à 4 pour le plus haut niveau de coopérativité normalement observé, pour lequel une augmentation de 3 fois de la concentration en inhibiteur suffit pour faire chuter l'activité résiduelle de 90% de l'activité sans inhibiteur à 10% de la même activité. Quand il n'y a pas de coopérativité, h = 1, une augmentation de 81 (= 34) fois est nécessaire pour produire le même effet.

A quoi servent la rétroinhibition et la coopérativité ?

On a supposé que la rétroinhibition et la coopérativité étaient nécessaires pour permettre à un système métabolique de répondre efficacement aux demandes de produit final : quand la vitesse d'utilisation augmente, la vitesse de biosynthèse doit augmenter aussi. Nous avons étudié le modèle montré dans la Figure 2 pour savoir si cette interprétation est correcte. Dans ce modèle, un produit final S3 d'une voie de trois étapes sert comme substrat de deux voies d'utilisation 4a et 4b. Quand le système est bien régulé, on attend que le flux dans la voie 4a augmente quand l'activité catalytique de cette voie augmente (parce que cette activité représente la demande pour les produits de la voie), mais qu'il soit insensible aux changements de l'activité de la voie 4b.

En effet, ce comportement se produit même sans rétroinhibition ou avec rétroinhibition non-coopérative. Qu'il n'y ait pas d'inhibition, qu'elle soit fortement coopérative (h = 4), ou qu'elle ne le soit pas (h = 1), la réponse du flux 4a aux changements de demande est presque la même. Dans les trois cas, le flux 4a augmente quand la demande 4a augmente, mais il change peu en réponse aux changements de la demande 4b ; pour le flux 4b on observe l'inverse.

Figure 2. Modèle d'une voie métabolique avec cinq enzymes, dont les réactions de X0 à S3 (enzymes E1, E2 et E3) représentent le bloc d'offre, et E4a et E4b représentent deux blocs de demande. Normalement on considère que la voie se termine avant les étapes de demande, c'est-à-dire que S3 est le  produit final . La simulation du comportement du modèle a été faite avec un logiciel  MetaModel  (Cornish-Bowden et Hofmeyr, 1991).

Il faut remarquer que la constante d'équilibre entre X0 et S3 dans le modèle est 250, c'est-à-dire que la réaction est difficilement reversible. Même sans rétroinhibition directe, le produit final dans une voie assez courte peut inhiber sa synthèse par l'action de masse. La biosynthèse de la sérine chez les mammifères en offre un exemple (Fell et Snell, 1988).

Peut-on donc conclure que la rétro-inhibition coopérative ne sert à rien dans les systèmes métaboliques ? En effet elle est vraiment très importante, mais son rôle n'est pas celui qu'on avait pensé. Pour la réponse de la concentration du produit final S3, au lieu de celles des flux, les trois cas sont très différents. Le système coopératif (h = 4) permet essentiellement les mêmes flux dans une gamme de concentration beaucoup plus faible que les autres. Donc le rôle de la coopérativité n'est pas de permettre de réguler le flux, mais de minimiser la variation de concentration du produit final quand le flux change, c'est-à-dire de contribuer à l'homéostasie du produit final.