Klaessens, Simon, UCL - SSS/DDUV/GECE - Génétique cellulaire, UCL - Faculté de pharmacie et des sciences biomédicales, Van den Eynde, Benoit, De Plaen, Etienne, van der Bruggen, Pierre, Bommer, Guido, Limaye, Nisha, Pierreux, Christophe, Fafournoux , Pierre Fafournoux, and Chariot , Alain
Amino acids blood levels are remarkably constant, in spite of fasting periods and large variations in diet supply. Systemic homeostasis is particularly important for tryptophan, given its key role in many cellular processes, including immunity and neuronal activity. In humans, tryptophanemia is maintained around 60µM. Here, we showed that tryptophan homeostasis is largely controlled by the post-translational stability of tryptophan 2,3-dioxygenase (TDO), the hepatic enzyme catalyzing the first step of tryptophan catabolism along the kynurenine pathway. TDO, located at the strategic crossroad of the portal and systemic circulation, degrades more than 90% of food-derived tryptophan. High tryptophan levels stabilize the active tetrameric conformation of TDO through binding non-catalytic exosites, promoting rapid blood tryptophan catabolism. In low tryptophan, the lack of tryptophan binding in the exosites destabilizes the tetramer into inactive monomers and dimers, and unmasks a degron. This triggers the polyubiquitination of TDO by SKP1-CUL1-F-box complexes, resulting in proteasome-mediated degradation of TDO and rapid interruption of tryptophan catabolism. Artificial stabilization of tetrameric TDO with the non-metabolizable analog alpha-methyl-tryptophan in vivo stably reduces blood tryptophan levels. Our results uncover a mechanism allowing a rapid adaptation of tryptophan catabolism to ensure quick degradation of excess tryptophan while preventing further catabolism below physiological levels. This ensures a tight control of tryptophanemia, as required for both neurological and immune homeostasis. La concentration plasmatique des acides aminés est remarquablement constante en dépit des variations de nos apports alimentaires. L’homéostasie systémique des acides aminés est particulièrement importante pour le tryptophane, en raison de son rôle clef dans de nombreux processus biologiques, incluant l’immunité et l’activité neuronale. Chez l’homme, la tryptophanémie est en permanence maintenue à 60µM. Nos découvertes révèlent que l’homéostasie du tryptophane est majoritairement contrôlée par la stabilité post-traductionnelle de la tryptophane 2,3-dioxygenase (TDO), l’enzyme hépatique catalysant la première réaction du catabolisme du tryptophane dans la voie métabolique de la kynurénine. Localisée au carrefour de l’artère hépatique et de la veine porte, la protéine TDO occupe une position stratégique pour filtrer le sang et dégrade plus de 90% du tryptophane d’origine alimentaire. Lorsque la tryptophanémie augmente, le tryptophane active la protéine TDO en stabilisant sa conformation tétramérique au moyen de quatre exosites non catalytiques, promouvant ainsi le catabolisme du tryptophane plasmatique. Une fois la tryptophanémie faible, le tryptophane libère les exosites et provoque la déstabilisation du tétramère en dimères et en monomères inactifs, libérant ainsi un motif de dégradation ou dégron reconnu par des ubiquitines ligases SKP1-CUL1-F-box. Elles déclenchent alors la polyubiquitination de TDO, laquelle conduit à la dégradation de l’enzyme par le protéasome et à l’arrêt du catabolisme du tryptophane. In vivo, la stabilisation de la protéine TDO hépatique avec un analogue non métabolisable, l’alpha-méthyl-tryptophane, réduit de manière permanente la concentration plasmatique du tryptophane. Nos résultats décrivent un mécanisme d’adaptation rapide du catabolisme du tryptophane permettant une dégradation de l’acide aminé en excès et prévenant son catabolisme en dessous de sa teneur physiologique. Cette boucle de rétrocontrôle assure une régulation fine de la tryptophanémie dont le maintien est nécessaire à l’homéostasie neurologique et immunitaire. (BIFA - Sciences biomédicales et pharmaceutiques) -- UCL, 2021