RESUME
Il a longtemps été admis que le glucose était le principal, sinon le seul substrat du métabolisme énergétique cérébral. Néanmoins, des études récentes indiquent que dans des situations particulières, d'autres substrats peuvent être employés. C'est le cas des monocarboxylates (lactate et pyruvate principalement). Bien que la barrière hématoencéphalique soit peu perméable à ces molécules, elles deviennent néanmoins des substrats possibles si elles sont produites localement.
Les deux systèmes enzymatiques pivots des voies glycolytiques et oxydatives sont la lactate déshydrogénase (LDH, EC 1.1.1.27) qui catalyse l'interconversion du pyruvate et du lactate et le complexe pyruvate déshydrogénase qui catalyse la conversion irréversible du pyruvate en acétyl-CoA qui entre dans la respiration mitochondriale.
Nous avons étudié la localisation, tant régionale que cellulaire, des isoformes LDH-1, LDH-5 et PDHEla dans le cerveau du chat et dé l'homme au moyen de diverses techniques histologiques.
Dans un premier temps, des investigations par hybridation in situ au moyen d'oligosondes marquées au 33P sur de coupes de cerveau de chat ont permis de montrer une différence de l'expression des enzymes à vocation oxydative (LDH-1 et PDHA1, le gène codant pour la protéine PDHEIa) par rapport à LDH-5, isoforme qui catalyse préférentiellement la formation de lactate. LDH-1 et PDHA 1 ont des distributions similaires et sont enrichies dans de nombreuses structures cérébrales, comme l'hippocampe, de nombreux noyaux thalamiques et des structures pontiques. Le cortex cérébral exhibe également une expression importante de LDH-1 et PDH.
LDH-5 a par contre une expression largement plus diffuse à travers le cerveau, bien que l'on trouve néanmoins un enrichissement plus important dans l'hippocampe. Ces résultats sont en accord avec les observations que nous avons précédemment publiées chez le rongeur pour LDH-1 et LDH-5 (Laughton et collaborateurs, 2000). Des analyses par PCR en temps réel ont confirmé que dans certaines régions, LDH-1 est exprimée de façon nettement plus importante que LDH-5.
Dans un deuxième temps, nous avons appliqué sur des coupes histologiques d'hippocampe et de cortex occipital humain post-mortem des anticorps monoclonaux spécifiques de l'isoforme LDH-5 et la sous-unité PDHela du complexe pyruvate déshydrogénase.
Là aussi, les immunoréactions révèlent une ségrégation régionale mais aussi cellulaire des deux enzymes. Dans les deux régions étudiées, LDH-5 est localisée exclusivement dans les astrocytes. Dans le cortex occipital, la matière blanche et également la couche I corticale sont immunopositives pour LDH-5. Dans l'hippocampe, le CA4 et l'alveus exhibe l'immunomarquage le plus intense pour LDH-5.
Seuls des neurones (à de rares exceptions quelques astrocytes) sont immunopositifs à l'anticorps monoclonal dirigé contre PDHela. La couche IV du cortex occipital présente la plus forte immunoréaction. Dans l'hippocampe, une immunoréactivité est observée dans le stratum granulosum et à travers la région CA1 jusqu'à la région CA3. L'ensemble de ces résultats montre une hétérogénéité métabolique dans le cerveau et étaye l'hypothèse "astrocyte-neurone lactate shuttle" (ANL5) (Bittar et collaborateurs, 1996; Magistretti et Pellerin, 1999) qui propose que les astrocytes fournissent aux neurones activés du lactate comme substrat alternatif de leur métabolisme énergétique.
ABSTRACT
For a long time now, glucose has been thought to be the main, if not the sole substrate for brain energy metabolism. Recent data nevertheless suggest that other molecules, such as monocarboxylates (lactate and pyruvate mainly) could be suitable substrates. Although monocarboxylates poorly cross the blood brain barrier (BBB), such substrates could replace glucose if produced locally.
The two key enzymatic systems required for the use and production of these substats are lactate dehydrogenase (LDH; EC 1.1.1.27) that catalyses the interconversion of lactate and pyruvate and the pyruvate dehydrogenase complex that irreversibly funnels pyruvate towards the mitochondrial TCA cycle and oxydative phosphorylation.
Our study consisted in localizing these different systems with various histochemical procedures in the cat brain and two regions, i.e. hippocampus and primary visual cortex, of the human brain.
First, by means of in situ hybridization with 33P labeled oligoprobes, we have demonstrated that the more oxidative enzymes (LDH-1 and PDHA1, the gene coding for PDHEla) are highly expressed in a variety of feline brain structures. These structures include the hippocampus, various thalamic nuclei and the pons. The cerebral cortex exhibits also a high LDH-1 and PDHAl expression.
On the other hand, LDH-5 expression is poorer and more diffuse, although the hippocampus does seem to have a higher expression.
These fmdings are consistent with our previous observation of the expression of LDH1 and LDH-5 in the rodent brain (Laughton et al, 2000).
Real-time PCR (TagMan tm) revealed that, in various regions, LDH-1 is effectively more highly expressed than LDH-5.
In a second set of experiments, monoclonal antibodies to LDH-5 and PDHeIa were applied to cryostat sections of post-mortem human hippocampus and occipital cortex.
These procedures revealed not only that the two enzymes have different regional distributions, but also distinct cellular localisation. LDH-5 immunoreactivity is solely observed in astrocytes. In the occipital cortex, the white matter and layer I are immunopositive. In the hippocampus, the alveus and CA4 show LDH-5 immunoréactivity.
PDHeIa has been detected, with few exceptions, only in neurons. Layer IV of the occipital cortex was most immmunoreactive. In the hippocampus, PDHela immunoreactivity is noticed in the stratum granulosum and through CA 1 to CA3 areas.
The overall observations made in this study show that there is a metabolic heterogeneity in the brain and our findings support the hypothesis of an astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS)(Bittar et al., 1996; Magistretti & Pellerin, 1999) where astrocytes export to active neurons lactate to fuel their energy demands.