Importance of mitochondrial hydrogen sulfide oxidation in liver pathophysiology
Importance de l'oxydation mitochondriale du sulfure d'hydrogène dans la physiopathologie hépatique
Résumé
Hydrogen sulfide (H2S) is the third gasotransmitter described in mammals. Colourless and water-soluble, H2S is a highly effective inhibitor of mitochondrial cytochrome c oxidase when present at high concentrations. However, when present at low concentrations, H2S can act as an inorganic energetic substrate for mammalian mitochondria. To oxidize H2S, mitochondria need the sulfide oxidizing unit (SOU), a set of three specific enzymes: sulfide quinone reductase (SQR), dioxygenase (ETHE1) and thiosulfate sulfurtransferase (TST). Liver metabolism, finely regulated by hormones and nutrients, is central to energy homeostasis, and liver metabolic inflexibility is known to be associated with several metabolic diseases, such as Non-Alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD). The unique position of this organ makes it likely to be exposed to high levels of H2S coming from both exogenous (gastrointestinal tract) and endogenous (metabolism of sulfur-containing amino acids) sources. Recently, impaired liver H2S biosynthesis has been reported in animal models of NAFLD, and in vivo supplementation of H2S donors prevented the further escalation of the illness into steatohepatitis (NASH). Almost all studies exploring the hepatic pathological relevance of H2S are usually focused on H2S biosynthesis pathway and/or using exogenous donors. As intrahepatic H2S levels can also be controlled by its mitochondrial oxidation, the objectives of my PhD were to investigate the pathophysiological importance of this pathway in liver metabolism and in the development of NAFLD. First, we showed that, physiologically, the liver nutritional status regulates hepatic mitochondrial H2S oxidation capacity and SQR protein expression, both being downregulated by fasting while overnight refeeding abolished the fasting inhibitory effect. Adenovirus-mediated overexpression of human SQR in mouse liver clearly demonstrated that SQR is the key regulatory enzyme of mitochondrial H2S oxidation. Enhancing this pathway i) increased in vivo glucose tolerance and liver insulin signalling, ii) stimulated glucose metabolism in primary cultures of mouse hepatocytes (13C-glucose fluoxomics), and iii) decreased liver fatty acid oxidation capacity. Second, when exploring the context of NAFLD, we observed that liver mitochondrial H2S oxidation capacity was downregulated in mice fed high fat/high sucrose (HF/HS) diet (NAFL model) and surprisingly was upregulated in mice fed methionine-choline deficient (MCD) diet (NASH model). In vivo supplementation with sodium thiosulfate (STS), an H2S donor, abrogated the inhibitory effect of HF/HS diet while it had no impact in the NASH model. Additionally, STS supplementation had no effect on body weight, glucose tolerance and insulin sensitivity in the NAFL model, and on liver steatosis in both NAFL and NASH models. However, STS supplementation did have an impact in the composition of gut microbiota. Similarly to the NAFLD mouse models, in morbid obese patients with simple steatosis (NAFL), liver SQR protein expression was found decreased, while in individuals with NASH SQR expression was found increased. Altogether, these studies, which confirmed that SQR is the key rate-limiting enzyme for liver mitochondrial H2S oxidation, clearly demonstrated for the first time that this pathway is finely regulated by the nutritional status of the liver and is altered in animal models of NAFLD and obese NAFLD patients. The novel observation that increasing hepatic mitochondrial H2S oxidation capacity increases hepatic glucose metabolism opens a new door in the field of liver pathophysiology, with this pathway being a potential protective target against the development of liver insulin resistance.
Le sulfure d'hydrogène (H2S) est le troisième gasotransmetteur décrit chez les mammifères. Le H2S est un inhibiteur de la cytochrome c oxydase mitochondriale lorsqu'il est présent à des concentrations élevées. Cependant, lorsqu'il est présent à de faibles concentrations, le H2S peut agir comme un substrat énergétique inorganique pour les mitochondries de mammifères. Pour oxyder le H2S, les mitochondries ont besoin de l'unité d'oxydation de sulfure (SOU), comprenant trois enzymes spécifiques: la sulfure quinone réductase (SQR), la dioxygénase (ETHE1) et la thiosulfate sulfurtransférase (TST). Le métabolisme hépatique, finement régulé par les hormones et les nutriments, est au cœur de l'homéostasie énergétique, et l'inflexibilité métabolique du foie est connue pour être associée à plusieurs maladies métaboliques, telles que la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD). La position unique de cet organe le rend susceptible d'être exposé à des niveaux élevés de H2S provenant à la fois de sources exogène (tractus gastro-intestinal) et endogène (métabolisme des acides aminés soufrés). Récemment, une altération de la biosynthèse hépatique de H2S a été rapportée dans des modèles animaux de NAFLD, et la supplémentation in vivo de donneurs de H2S prévient l'évolution de la maladie en stéatohépatite (NASH). Presque toutes les études explorant la pertinence pathologique du H2S dans le foie sont généralement axées sur la voie de biosynthèse du H2S et/ou utilisent des donneurs exogènes. Comme le contenu intrahépatique en H2S peut également être contrôlé par son oxydation mitochondriale, les objectifs de ma thèse étaient d'étudier l'importance physiopathologique de cette voie dans le métabolisme hépatique et dans le développement de la NAFLD. Premièrement, nous avons montré que, physiologiquement, l'état nutritionnel du foie régule la capacité mitochondriale du foie à oxyder le H2S et l'expression de la protéine SQR, tous deux étant diminuées par le jeûne tandis que la réalimentation abolit l'effet inhibiteur du jeûne. La surexpression, par approche adénovirale, de la SQR humaine dans le foie de souris démontre clairement que la SQR est l'enzyme régulatrice clé de l'oxydation mitochondriale du H2S. La surexpression de SQR i) augmente in vivo la tolérance au glucose et la signalisation hépatique de l'insuline, ii) stimule le métabolisme du glucose dans des cultures primaires d'hépatocytes de souris (13C-glucose fluoxomique), et iii) diminue l'oxydation hépatique des acides gras. Deuxièmement, dans un contexte de NAFLD, nous avons observé que la capacité mitochondriale du foie à oxyder le H2S était diminuée chez les souris nourries avec un régime riche en lipides et en sucrose (HF/HS) (modèle NAFL) et était étonnamment augmentée chez les souris nourries avec régime déficient en méthionine-choline (MCD) (modèle NASH). La supplémentation in vivo avec du thiosulfate de sodium (STS), un donneur de H2S, abolit cet effet inhibiteur du régime HF/HS alors qu'il n'a aucun impact dans le modèle NASH. De plus, la supplémentation en STS induit une modification de la composition du microbiote intestinal. De même que pour les modèles animaux de NAFLD, l'expression hépatique de la protéine SQR est diminuée chez les patients obèses morbides ayant une stéatose simple (NAFL) et augmentée chez les individus ayant une NASH. L'ensemble de ces résultats, qui confirme que la SQR est l'enzyme clé limitante de l'oxydation hépatique mitochondriale du H2S, démontre clairement pour la première fois que cette voie est finement régulée par l'état nutritionnel du foie et est altérée dans des modèles animaux de NAFLD et chez des patients obèses NAFLD. L'observation nouvelle qu'une augmentation de la capacité mitochondriale du foie à oxyder le H2S augmente le métabolisme hépatique du glucose ouvre de nouvelles perspectives en physiopathologie hépatique, cette voie étant une cible potentielle pour lutter contre le développement de la résistance hépatique à l'insuline.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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