Annaïg Lan, Erwan Galardon, Dominique Padovani, Isabelle Artaud, Géraldine Liot, Francine T. Castillo, Suvajit Sen, Camilla Pilati, Assia Hessani, François Blachier, Mireille Andriamihaja, Laboratoire de Chimie et de Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques (LCBPT - UMR 8601), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), David Geffen School of Medicine [Los Angeles], University of California [Los Angeles] (UCLA), University of California (UC)-University of California (UC), Laboratoire des Maladies Neurodégénératives - UMR 9199 (LMN), Service MIRCEN (MIRCEN), Université Paris-Saclay-Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Physiologie de la Nutrition et du Comportement Alimentaire (PNCA), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-AgroParisTech, Médecine Personnalisée, Pharmacogénomique, Optimisation Thérapeutique (MEPPOT - U1147), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Legras, Eva, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5), University of California-University of California, Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), AgroParisTech-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie François JACOB (JACOB), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Service MIRCEN (MIRCEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Padovani, Dominique, Laboratoire de Chimie et de Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques ( LCBPT - UMR 8601 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), University of California at Los Angeles [Los Angeles] ( UCLA ), Laboratoire des Maladies Neurodégénératives - UMR 9199 ( LMN ), Université Paris-Saclay-Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Physiologie de la Nutrition et du Comportement Alimentaire ( PNCA ), Institut National de la Recherche Agronomique ( INRA ) -AgroParisTech, Médecine Personnalisée, Pharmacogénomique, Optimisation Thérapeutique ( MEPPOT - U1147 ), and Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM )
Accumulating evidence suggests that abnormal levels of homocysteine are associated with vascular dysfunctions, cancer cell proliferation and various neurodegenerative diseases. With respect to the latter, a perturbation of transition metal homeostasis and an inhibition of catalase bioactivity have been reported. Herein, we report on some of the molecular bases for the cellular toxicity of homocysteine and demonstrate that it induces the formation of sulfcatalase, an irreversible inactive state of the enzyme, without the intervention of hydrogen sulfide. Initially, homocysteine reacts with native catalase and/or redox-active transition metal ions to generate thiyl radicals that mediate compound II formation, a temporarily inactive state of the enzyme. Then, the ferryl centre of compound II intervenes into the unprecedented S-oxygenation of homocysteine to engender the corresponding sulfenic acid species that further participates into the prosthetic heme modification through the formation of an unusual Fe(II) sulfonium. In addition, our ex cellulo studies performed on cancer cells, models of neurodegenerative diseases and ulcerative colitis suggest the likelihood of this scenario in a subset of cancer cells, as well as in a cellular model of Parkinson's disease. Our findings expand the repertoire of heme modifications promoted by biological compounds and point out another deleterious trait of disturbed homocysteine levels that could participate in the aetiology of these diseases., High levels of homocysteine in cells are linked to pathological states. Here, the authors report that homocysteine inactivates catalase by modifying the heme group, impairing cellular redox homeostasis, and show that this modification occurs in cancer cells and in a cellular model of Parkinson's disease.