Adipocytes et Restriction Calorique
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Adipocytes et Restriction Calorique Prof. T. Arnould (Unité de Recherche en Biologie Cellulaire, FUNDP, NAMUR, Belgique) “Meetochondrie” Meeting Aussois - Mai 9-12, 2010 Plan! • Introduction : définitions et précisions • Restriction Calorique (RC) : impact sur le « métabolisme » ET « inflammation » • RC et longévité et espérance de vie • RC et organismes modèles – S. Cerevisiae, C elegans, D. melanogaster et M Musculus • RC et découplage mitochondrial • RC et voies de transduction du signal – RC et adipocytes – RC et mitochondries Interventions chez l’humain… Dépenses! ENER GIE! Prises! L’obésité et la restriction calorique régulent l’espérance de vie en exerçant des régulations réciproques sur le système immunitaire… (Dixit, Journal of Leukocyte Biology. 2008;84:882-892) • Obésité : taux élevé de Leptine et bas de Ghréline altère le système immunitaire. • RC : taux élevé de Ghréline et diminution de la Leptine (facteur anorexigène) stimule les fonctions immunitaires et la longévité Interactions entre le tissu adipeux et le système immunitaire dans l’obésité" (Dixit, Journal of Leukocyte Biology. 2008;84:882-892)! L’inflammation induite par l’excès de nutriments (régime hypercalorique) affecte aussi les fonctions immunitaires et est responsable des maladies secondaires associées à l’obésité conduisant à la mort prématurée des individus… Le syndrome métabolique ou syndrome X! – Diabète de type 2, résistance à l’insuline, dyslipidémie, maladies cardiovasculaires, inflammation et certains cancers (intestins)! – Tissu adipeux blanc abdominal/viscéral : BMI # 30! – 160 millions de personnes aux USA : doublement en 2030! – Dépenses en soins de santé : > 100 milliards de $ aux USA! – Coca-colAnisation : changements “styles de vie”! • Moins d’exercices/acitivités physiques et modifications des habitudes alimentaires ! – Quantité : HYPERCALORIQUE! – Type de nourriture ingérée : RICHE EN GRAISSES ET EN SUCRES! La restriction calorique...les restrictions caloriques ?! • • • • • « Fasting » (< 24h) « RC court terme » (< 1 mois) « RC long terme » (< 1 an à plusieurs années) Différente de « malnutritions » Sévérité : % de l’apport calorique (60-70 %) – progressivité dans les restrictions • Organes et tissus affectés : réponses spécifiques Le métabolisme du carbone et le vieillissement de la levure (CLS : chronological lifespan) (Kaeberlein, Nature, 2010, 25;464(7288):513-9) Metabolic shift ROS et Dysfonctionnement Mitochondrial Inhibition de TOR (1-2)-stimule l’autophagie et augmente la CLS Acteurs des effets bénéfiques de la RC chez la levure sur la RLS/CLS : TOR et Sir2 (Kaeberlein, Nature, 2010, 25;464(7288):513-9) RC RC Le dysfonctionnement des organites à l’origine du dysfonctionnement des adipocytes! Dysfonctionnement mitochondrial Dysfonctionnement du RE Conséquences Découplage OXPHOS ? La RC (30 % pendant 4 mois) active la voie Akt/PKCzeta/lamda et Glut4 dans le tissu adipeux épidydimal de jeunes rats males (F344) (Park et al.,Age, 2008, 30:293-302) p(Y)IR pAkt et pPKC!/"# ARNm Glut4# Régulation du transport de glucose dans les adipocytes! Basal uptake IR Insulin-induced uptake ! GLU T 4! Tyr-P! MP! Ca ++ IRS! ?! PI-3 K! Actine! AMPK! GLUT 4! PDK! [AMP]! GLUT 1 ! Akt! [ATP]! PKC "! ? GSK-3$! AS160! RabGAP Degré de perte de poids nécessaire par la RC pour induire une diminution de la taille des adipocytes chez des femmes atteintes d’obésité sévère " < 5% (Varadi et al., 2008, Metabolism) 5-10 % Min Zhu et al., Exp Gerontol., 2007) Tissu adipeux épidymal-rat 6 mois de RC Cell death-inducing DFF45-like effector C (CIDEC) is reduced by caloric restriction and regulates adipocyte lipid metabolism (Magnusson B., 2008, Metabolism) Famille de gènes (3) impliqués dans la régulation du métabolisme CIDEA, CIDEB, and CIDEC. Knockdown de CIDEA augmente la lipolyse dans les adipocytes murins et humains. Souris KO CIDEA : « lean » et résistante à l’obésité induite par l’alimentation Chez l’homme le niveau d’expression de CIDEA dans le tissu adipeux sous-cutané est régulé par l’apport calorique Souris KO CIDEB : moins sensible à l’obésité et diminution de l’accumulation en TG dans le foie. Le produit du gène orthologue de CIDEC gene (fat-specific protein 27) se trouve dans les vésicules de TG (FSP-27) : « shield protein » RC : ! Expression CIDEC ! lipolyse Le découplage mitochondrial Adipocytes bruns Dissiper l’énergie ! thermogenèse UCP-1 expression : animaux hibernants, nouveaux nés Adultes humains ! Edgar D et al. Cell Meta 2009 ! Perspectives de lutte contre l’obésité (upper chest and nest) Adipocytes blancs Stocker l’énergie Découplage induit chimiquement possible UCP-1 non exprimée FCCP: Carbonyl cyanide 4(trifluoromethoxy) phenylhydrazone Yaguang et al., JLR 2007 Découplage mitochondrial et impact sur l’activité mitochondriale! UCP-1 UCP-3 ? Diminution de la production de ROS Diminution de la production d’ATP-efficience énergétique UCPs : mécanismes et physiopathologie! Métabolisme lipidique dans les adipocytes blancs! Réponse(s) de l’adipocyte au TNF#! J Clin Endocrinol Metab. 1993 Mar;76(3):742-7. Petruschke T, Hauner H. Tumor necrosis factor-alpha prevents the differentiation of human adipocyte precursor cells and causes delipidation of newly developed fat cells. Effet du TNFalpha et du FCCP sur la lipolyse dans les adipocytes! Glycerol release (% of controls) Glycerol release 700 600 500 ***! 24h 72h 144h ***! ***! ***! 400 300 200 100 0 CTL DIFF DIFF+TNF DIFF+FCCP DIFF+ISO Triglyceride content ( % of controls) Triglyceride pool ATGL TG content 140 120 100 24h 72h 144h ***! 80 60 ***! ***! 40 20 0 CTL DIFF DIFF+TNF DIFF+FCCP DIFF+ISO Protéome des adipocytes in vivo d’individus (BMI $ 27) soumis à la RC – biopsies humaines adipocytes sous-cutanés" (Bauwman, FG et al., J Proteome Res. 2009, 8(12):5532-40) • • • • The potential of in vivo proteomics to provide insight in physiologic effects of human intervention studies. The same analyses can now be applied to visceral adipose tissue, which is less accessible but not less relevant in the context of weight regulation. ! Obèses ou en surcharge pondérale : 4 hommes et 4 femmes! 5 semaines de RC (sévère : 500 kcal/j) suivies de 3 semaines régime normal progressivement…! (30 % fat : total energy)! Comparaison pairée : échantillons avant et après perte de poids!! • Augmentation des protéines liées au métabolisme du glucose (Glut4) et des acides gras (uptake/FABP4)et diminution des protéines du “scaffolding” de Glut4 (ALDOC, TUBB5, ANXA2) ainsi que des adipokines pro-inflammatoires…! La restriction calorique modifie la physiologie du tissu adipeux et réduit le risque d’apparition des maladies chroniques (Varady and Hellerstein, Nutrition Reviews, 2008) Stimulation de la lipolyse > induction de la lipogenèse… Perte de TG et diminutiond e la taille des adipocytes. Libération d’adiponectine augmente et libération de leptine et resistine diminue. Changement dans les concentrations respectives d’adipokines : • Améliore la sensibilité à l’insuline • Diminue le stress oxidatif et la production de ROS • Protège du développement des lésions athéromateuses Adipokines et fonction endocrine des adipocytes blancs! Favorise la sensibilité à l’insuline Cytokine proinflammatoire Important dans la composante inflammatoire obésité Inhibe la gluconéogenèse, augmente la $-oxydation TNF-%! Macrophages, PréB, … des acides gras Adiponectine! Visfatine! (PBEF)! Système immunitaire SAA! Résistine! Vaspine! Adipsine! Apeline! Omentine! MCP-1! RBP-4! IL-6! AngioLeptine! tensinogène! PAI-1! SNC Métabolisme glucidique et lipidique et homéostasie énergétique Foie, muscle squelettique, … Système vasculaire Chez le sujet obèse : fonction endocrine perturbée Signalisation de l’adiponectine dans le muscle " (Iwabu-M et al., Nature, 464, (2010)1313)! CREB Obésité, surcharge pondérale et inflammation! BMI (kg/m#) • anorexie maigreur normal surpoids obésité " 18,5 18,5 à 20 20 à 25 25 à 30 ! 30 Au niveau cellulaire : hyperplasie et/ou hypertrophie des adipocytes blancs Rôle de différentes kinases cellulaires dans la signalisation de l’insuline" AKT, AMPK, ERK, JNK et p38! Insuline TNF$ IR TNFR MLK3, MEKK4, ASK1, TAK1 JNK PDK1, 2 AS160 IRS IRS Incorporation du glucose MEKK3/6 p38MAPK PI3K Ras PTEN AKT Gluconéogenèse ERK1 Croissance cellulaire, différenciation GSK3 FOXO1 Activation de Glut4 mTOR ERK2 p90RSK Synthèse protéique !AMP Incorporation du glucose ACC AMPK "malonylCoA "du contenu en TG !Oxydation des AG CPT 1 Obésité – Hypoxie- Inflammation et Résistance à l’Insuline" (Ye-J et al., Int J. Obes. (Lond), 2009)! DAG/ Céramides Mécanismes par lesquels l’inflammation médie la résistance à l’insuline TLR-4 ? Macrophages, Dysfonctionnement des Organites et ROS Emerging Role of Adipose Tissue Hypoxia in Obesity and Insulin Resistance! Up- and down-stream of ATH Cytokines et Hormones libérées par les macrophages et les adipocytes capables de réguler l’angiogenèse… La RC limite l’inflammation et favorise la sensibilité à l’insuline par l’AMPK : un senseur métabolique qui inhibe l’inflammation" (Dixit, Journal of Leukocyte Biology. 2008;84:882-892)! • Balance énergétique négative active l’AMPK : • 1) RC • 2) Découplage mitochondrial • 3) Exercice musculaire La RC et l’effet anti-âge : adaptations neuroendocriennes et communication périphérique : régulation de la prise de nourriture et de la dépense énergétique chez les rongeurs (Chiba et al.,Microsc. Res. Tech., 2002, 59:317-324) Adaptations métaboliques Prise aliments NPY/ AGRP Signaux Autres adipokines dérivées des adipocytes Dépenses énergétiques POMC/ CART Leptine Insuline Tissu Adipeux Cellules béta pancréas Cerveau, Foie, Muscle RC Ghréline Estomac Modèle hypothétique de l’inhibition de l’inflammation (cytokines inflammatoires) par l’AMPK médiée par l’inhibition de NFkB! • RC stimule la production de ghréline qui se lie aux récepteurs GHS-R (Growth hormone secretatogue receptor). • La phosphorylation de IkB par IKK et la translocation des sous-unités p50 and p65 sont des événements dépendants de l’ATP. • L’activation de l’AMPK inhibe la transcription de gènes cibles (cytokines) de NFkB. Cytokines : ILs (-8,-6, -1), MCP-1, TNF%,…! La restriction calorique retarde l’apparition du dysfonctionnement mitochondrial lié au vieillissement dans le Tissu Adipeux Brun (Valle-A et al., Rejuvenation Res. 2008) • L’effet de la RC à long terme sur la fonction et biogenèse mitochondriale du TAB ? • Mitochondries de rats males et femelles : âge 24 mois • RC : 40% pendant 12 mois (CTL : 24 mois et 6 mois ad libitum) • Réduction du TAB et nombre/taille adipocytes. • Contenu en ADNmt augmente avec la RC – biogenèse • RC induit une résistance à la perte de protéines mitochondriales, à la diminution de l’activité COX, au découplage mitochondrial induit par l’âge et prévient la diminution de l’abondance de mtTFA/Tfam. : la RC prévient le déclin de la fonction mitochondriale dans le TAB (le muscle et le foie) en retardant l’impact négatif sur la biogenèse de la mitochondrie… Restriction calorique et biogenèse mitochondriale! Physiol. Rev. 88: 611-638, 2008 SIRT1 :un senseur énergétique régulateur de l’activité mitochondriale, Restriction calorique Restriction calorique Sirt1 L’inhibition de l’adipogenèse par la RC…pas seulement dans le tissu adipeux : limitation de l’involution du thymus induite par l’âge " (Jang-H et al., , 2009, J. Immunol.)! • • • • • • • • • RC chez la souris au cours du vieillissement : A) Disparition de l’adipogenèse dans le thymus B) Réduction de la taille des adipocytes dans la moelle osseuse C) Taille du thymus dans les souris agées soumise à la RC-taille du thymus dans les souris jeunes. D) Analyse des lymphocytes naïfs et effecteurs/mémoires (CD4 and CD8 cells) dans la rate pendant le vieillissement. Naifs (CD62L+CD44!) : rouge Effecteurs et mémoires (CD62L!CD44+) : bleu RC : augmente la population des cellules lymphocytaires naïves " Action positive sur le système immunitaire ! Sirtuins pourraient être impliquées dans des voies de signalisation communes au resveratrol et de la RC. • The so-called "French paradox." First noted by Irish physician Samuel Black in 1819, the French paradox makes an allusion to the fact that the French are perceived as having a relatively low incidence of cardiovascular and metabolic disease, although their diet is rich in saturated fat. ! – The high consumption of red wine, which is rich in the polyphenol resveratrol, is thought to be one of the primary factors contributing to this selective advantage.! • Caloric restriction (CR)(1930) can retard the aging process and delay the onset of numerous aging-related diseases, such as cancer, cardiovascular diseases, and metabolic diseases. CR significantly expands lifespan in organisms ranging from yeast and nematodes to rodents and monkeys. ! – Interestingly, the beneficial health outcomes of CR resemble those that are induced by resveratrol in a number of animal models, suggesting that the molecular pathways by which resveratrol acts are similar to those activated by CR. ! Les protéines Sirtuins : au coeur de la restriction calorique • Homologues au gène de Saccharmyces cerevisiae : silent information regulator 2 (Sir2)! • 7 membres chez les mammifères : 4 chez la levure! • Contiennent un domaine de liaison au NAD+! • SIRT-1 (Sir2 orthologue) : médie les effets de la RC (longévité)! • Effets bénéfiques : énergie et métabolisme! • Cibles de traitement pour les “désordres métaboliques”! • Class III de déacétylases très conservées (procaryotes-mammifères).! Deux types de réactions catalysées par les protéines Sirtuins :" Déacetylation et ADP-Ribosylation " (Yamamoto-H et al., Mol Endocrinol., 2007)! • 1) Le groupement acetyl d’une protéine est transféré sur l’ADP-ribose (ADPR) du NAD + :! – NAM (nicotinamide)! – 2’-O-acetyl-ADP ribose! – Activité est contrôlée par le rapport de [NAD+]/[NADH] , i.e. NAD+ = activateur , NADH = inhibiteur! • 2) Activité ADP-ribosyl transférase dépend aussi du NAD+! Modification post-traductionnelle de mono-ADP-ribosylation : crée un lien N- or S-glycosidique entre l’arginine ou la cystéine de la protéine et l’ADPribose du NAD+. • Sirtuins régulent l’activité des protéines Foxo (facteurs de transcription) codées par les FKHR • 1) Différenciation cellulaire, transformation et métabolisme • 2) Chez les mammifères, les facteurs de croissance : PI3K-AKT/protein kinase B, phosphorylent et inactivent les protéines Foxo suite à leur rétention/séquestration dans le cytosol. • La translocation de FoxO3a du cytosol vers le noyau est médiée par la déacétylation assurée par Sirt1 en réponse au stress oxydatif. * + arrêt du cycle cellulaire et resistance au stress oxydatif mais protection contre l’apoptose. • • FoxO1 “nucleocytoplasmic shuttling” modulé par Sirt1, conduit à l’activation de gènes cibles de FoxO1 impliqués dans la gluconéogenèse hépatique (PEPCK). Mouse knockout models as tools for exploring sirtuin function" (Finkel et al., Nature, 460 (2009) 587-591)! • Tous les phénotypes sont caractérisés par une réduction de l’espérance de vie : • Sirt1 -/- : jours • Sirt6 -/- : semaines • Sirt7 -/- : mois • Les souris Sirt3-/- and Sirt4-/sont normales sauf anomalies biochimiques • Désacétylation de l’Acetyl coenzyme A (CoA) synthetase 2 (AceCS2) favorise la formation d’Acétyl-CoA • Désacetylation de la glutamate dehydrogénase (glutamate to %-ketoglutarate) favorise la production d’ATP et la sécrétion d’insuline par les cellules $ (pancréas) • Sirt5-/- : pas de phénotype évident Principales caractéristiques des protéines Sirtuins de mammifères! Localisation • • SIRT1 ! ! ! Nucleus ! • • ! ! ! ! !Activité !Cibles !Deacetylase ! ! !PGC-1, FOXO !NFkB ! ! ! ! ! ! !Fonction! !Metabolism et inflammation ! !! ! ! ! ! • SIRT2 ! !Cytoplasm !Deacetylase! !H4, -tubulin !Cell cycle/tumorigenesis! • SIRT3 ! !Nucleus !Deacetylase! !AceCS2 ! !Metabolism (Acetyl-CoA/ATP)! • SIRT4 ! !Mito !ADP-ribosyl transf !GDH ! !Insulin secretion! • SIRT5 ! !Mito !Deacetylase! !Unknown ! !Unknown! • SIRT6 ! !Nucleus !ADP-ribosyl transf !DNA polymerase ß !DNA repair! • SIRT7 ! !Nucleus !Unknown ! !RNA polymerase I !rDNA transcriptionNA! • ! Régulation de l’activité de Sirt1 (Verdin, Mol Cell, 2007;28(3):354-6) Rôles de l’ Insuline/IGF-1 et des protéines FOXO sur la longévité : souris et humain (Kenyon-CJ, Nature, 2010) • • • IGF-1 produit par le foie en réponse à la GH secrétée par la glande pituitaire. PAPPA (pregnancy-associated plasma protein), une métalloprotéinase qui inactive des protéines liant IGF-1 le rendant disponible-actif. Mutations dans le récepteur à l’IGF-1 associées à une grande longévité. Voies qui influencent positivement l’espérance de vie en réponse à la RC (Kenyon-CJ, Nature, 2010) 1) Inhibition de TOR et stimulation de l’autophagie • 2) Inhibition de la traduction protéique • 3) Augmentation de la respiration mitochondriale • 4) Diminution de la voie de signalisation Ins/IGF-1 • Sirtuins sont essentielles aux effets de la RC et l’allongement de l’espérance de vie • Par la voie Ins/IGF-1 ? • Par mTOR ? The diverse physiological roles of the sirtuins" (Finkel et al., Nature, 460 (2009) 587-591)! L’activation de la protéine Sirt1 par la RC/jeûne : " impact sur le métabolisme et la longévité! Active regulator of Sirt1 Deleted in breast cancer / Sirt1interacting protein (leucine zipper motif intereacts with catalytic site) Desumoylase (Sumoylation de Sirt1-Lys734) HNF-4 Non shivering • L’effet des protéines Sirtuins sur la longévité pourrait être expliqué par le contrôle exercé sur l’homéostasie du métabolisme et la prévention des désordres métaboliques comme l’obésité, le diabète de type 2, l’hyperlipidémie et l’athérosclérose.! Dans les adipcoytes de souris, l’activation de Sirt1 par la RC s’accompagne du recrutement de NCoR (nuclear receptor corepressor) et SMRT (silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptor) au niveau du promoteur de PPAR! : répression des gènes cibles impliqués dans l’accumulation des TG, adipokines, …et stimulation de la lipolyse Mécanismes moléculaires qui médient les effets positifs de la RC sur les altérations rénales induites par l’hypoxie lors du vieillissement Kume S. et al., J. Clin Invest. 2010 ;120(4):1043-55. Régulation complexe de l’activité SIRT1 (Finkel et al., Nature, 460 (2009) 587-591) • Le promoteur de SIRT1 est postivement et négativement régulé par de nombreux facteurs de transcription et répreseurs, comme p53, FOXO3A et E2F1.! • Le degré d’acétylation et donc l’activité de ces facteurs est contrôlée par SIRT1. ! • Contrôle de l’expression au niveau de l’ARNm de Sirt1 par la protéine HuR et microRNA miR-34A (régulé par p53). ! • L’activité de la protéine SIRT1 est régulée par AROS (+) et DBC1 (-), et le rapport des concentrations en NAD+ et NADH (senseur métabolique)! Emergence des fonctions métaboliques d’autres protéines Sirtuins SIRT2 est activé par la RC et inhibe la différenciation des adipocytes blancs suite à la déacétylation de FOXO1. FoxO1 lie et réprime le prmoteur de PPAR% et inhibe l’expression des gènes cibles de PPAR% qui poussent la différenciation des adipocytes blancs. SIRT3 : RC favorise l’expression de SIRT3 dans le WAT et BAT (+ froid dans le BAT) de gènes nucléaires codant pour des protéines mitochondriales en déacétylant PGC-1$ : la biogenèse et l’activité mitochondriales sont augmentées. SIRT3 module la thermogenèse adaptative (UCP-1). Chez la souris, localisé dans la MMI, diminution du &&m mitochondrial : diminution des ROS et augmentation O2 (= découplage mitochondrial) (Shi-T et al., J. Biol. Chem, 2005: 280, 13560) SIRT4 assure l’ADP-ribosylation et inhibe la glutamate déshydrogénase mitochondriale qui assure positivement la production d’ATP et la sécrétion d’insuline. SIRT4 est donc un régulateur négatif de la production d’insuline par les cellules $ du pancréas. Conclusion La RC : 1) Réduit la charge en TG et l’état inflammatoire chronique lié à l’obésité 2) Améliore la sensibilité à l’insuline 3) Augmente la longévité de nombreuses espèces : rôle des adipocytes et changements dans les proportions d’adipokines 4) Stimule la biogenèse mitochondriale et accélère l’élimination de la fraction non fonctionnelle des mitochondries par augmentation de l’autophagie 5) Rôles essentiels mais pas exclusifs de TOR et des protéines Sirtuins Merci de votre attention! Restriction calorique et biogenèse mitochondriale Physiol. Rev. 88: 611-638, 2008 SIRT1 :un senseur énergétique régulateur de l’activité mitochondriale, Restriction calorique Restriction calorique Sirt1 Activité mitochondriale et sécrétion d’insuline Effets du dysfonctionnement mitochondrial sur des adipocytes! • Modèle 3T3-L1 Découplage Différenciation jours! 1, 3 or 6 jours! 0! 2! 4! 6! 8! 10! 12! DIFF+FCCP Insuline Cocktail adipogénique (Insuline, dexamethasone, dibutyryl-AMPc) FCCP TNF# Dédifférenciation partielle 12 j Diff+ 6 j Dédiff DIFF+TNF# IGF-1R IBMX RXR Lipogenèse Sensibilité à l’insuline Adipokines ± 500 gènes Effet du découplage sur la production d’adipokines les adipocytes 3T3-L1! Approche transcriptionnelle des adipokines Micro-damier Approche protéomique mitochondriale Gel 2D 3-11 NL Ip Ctrl FCCP Adipocytes ! TNFa 120 100 80 60 40 20 0 Angiotensinogène Résistine 8-13,5% acrylamid Abondance relative des transcrits Abondance relative des transcrits en présence ou non de FCCP ou de TNFalpha qRT-PCR abondance relative des transcrits Abondance relative des transcrits en présence ou non de FCCP ou de TNFalpha Ctrl FCCP Adipocytes + FCCP 6 jours! TNF_ 1200 1000 FCCP (83) 6 jours 800 600 400 200 21 ! 19 ! 16 ! 18 " 25 " 26 " TNF% (86) 6 jours 0 Adipopectine ! Le découplage mitochondrial induit une modification de l’expression de gènes Sirtuins : des histone deacétylases (HDAC) dépendantes du NAD+ qui régulent l’état de la chromatine-expression de gènes (Liou et al.,Cell, 121 (2005), 515-527) O-acetylADP-ribose (AAR) • Les protéines histones H1, H3, et H4 sont connues comme des substrats des Sirtuins. La lysine 16 de l’ histone H4 semble être un résidu crucial dans le silençage de l’expression génique par les protéines sirtuins
