Acétylation

Parmi les modifications post-traductionnelles, l'acétylation a été bien étudiée, L'acétylation est une modification chimique consistant à ajouter un groupement acétyle (COCH3) sur une molécule, par exemple une histone. L’acétylation est assurée par des enzymes spécifiques, les

acétyltransférases. L'acétylation est notamment observée sur les résidus lysine des protéines basiques histones, qui s'associent avec l'ADN, afin de réguler l’expression des gènes.

Bien que l'acétylation de la lysine ait été découverte sur les histones dans le contexte de régulation de la chromatine, il est maintenant clair que l'acétylation joue un rôle crucial dans la régulation et la fonction des facteurs de transcription et des enzymes métaboliques [203].

3.1.2.1. GCN5 (general control of amino acid biosynthesis 5')

GCN5 a été identifiée initialement comme un facteur de transcription impliqué dans la réponse cellulaire à la restriction en acides aminés [204]. GCN5 catalyse l'acétylation de l'histone H3 à la lysine 9 et 14 et à l'histone H4 à lysine 8 et 16 [189]. GCN5 acétyle directement PGC-1α sur de multiples résidus de lysine. L’interaction de GCN5 et PGC-1α

dépend du domain C-terminale de GCN5 et d’une séquence d'acides aminés situés dans les 200 premiers résidus de PGC-1α. GCN5 peut réguler négativement l’activité transcriptionnelle de PGC-1α, au moins en partie, par sa sous-localisation nucléaire [205].Une hypothèse mécanistique montre que lorsque PGC-1α se lie à des facteurs de transcription spécifiques de promoteurs, il s’ensuit le recrutement de la protéine p300 et du complexe TRAP dont le rôle est de permettre l’ouverture de la chromatine par acétylation des histones permettant ainsi l’initiation de la transcription grâce à l'ARN polymérase 2 [189, 202].

Sous des conditions de surnutrition et de diminution de la concentration intracellulaires en NAD⁺, PGC-1α est hyperacétylé par GCN5 et situé à proximité des corps nucléaires avec ses facteurs de transcription partenaires. Dans cet état, le complexe PGC-1α est effectivement transcriptionnellement inactif. Comme les cellules sont confrontées à une disponibilité faible en nutriments, la concentration en NAD⁺ intracellulaires doit augmenter et conduire à une augmentation de la vitesse à laquelle PGC-1α sera désacétylé par Sirt1. Le changement de l’acétylation de PGC-1 α coïncide avec un taux d'occupation accrue de PGC-1α sur les promoteurs de ses gènes cibles et une augmentation de l'activation transcriptionnelle par un remodelage de l'environnement de la chromatine locale, par des protéines telles que p300, et de plus grande interaction avec la machinerie transcriptionnelle, facilité par des protéines telles que TRAP/complex médiator [189].

Enfin, l'acétylation est une modification réversible et le clivage est catalysé par des déacétylases.

3.1.2.2. Sirtuines

Lors de cette dernière décennie, des études ont mis en évidence une nouvelle classe de protéines appelés« Silent information 2 regulator » (SIR) qui est impliquée dans la régulation du vieillissement de plusieurs organismes tels que la levure, le ver Caenohabditis elegans et la Drosophile, dont la longévité est accrue par la restriction calorique. Les mammifères possèdent sept homologues de SIR (sirtuines, SIRT 1-7). Les sirtuines catalysent la désacétylation d’histones et des protéines de façon NAD-dépendante, et régulent ainsi un grand nombre de fonctions cellulaires. Chez l’homme, la Sirtuine (SIRT1) est la protéine la plus étudiée de cette famille et les différentes données ont montré qu’elle était impliquée dans la protection du stress oxydant et de l’altération de l’ADN. SIRT1 apparaît jouer également un rôle important dans le métabolisme du pancréas, du tissu adipeux et du foie. Le nom «Sirtuines» a d'abord été donné à la famille de ces protéines par Roy Frye en 1991 qui a identifié pour la première fois SIRT 5 chez l’humain [206, 207].

La famille de sirtuines chez les mammifères se compose de sept sirtuines découverts chez l'homme jusqu'à présent, SIRT1-7. Tous ces éléments ont un domaine catalytique NAD⁺ dépendant, qui peuvent agir préférentiellement comme une désacétylases NAD⁺ dépendant (DAC) et / ou mono-ADP-ribose transférase (ART). Les séquences N-terminale et C-terminale qui flanquent la base catalytique varient en longueur entre les différentes sirtuines. Les SIRT étaient connues pour être des protéines nucléaires, mais plus récemment, il a été constaté que ces protéines se déplaçaient entre le compartiment nucléaire et cytoplasmique et que sa fonction dans le cytoplasme de la cellule était très importante. Parmi les sept sirtuines mammifères, SIRT1 est la plus étudiée, possédant plus d'une douzaine substrats connus à ce jour et des rôles impliqués dans un large éventail de processus cellulaires, y compris la survie cellulaire et les voies apoptotiques [208].

Figure 27. La famille de SIRTUINES et sa localisation intracellulaire : SIRT1, SIRT6 et SIRT7 étant

principalement nucléaire, SIRT2 cytoplasmique et SIRT3, SIRT4 et SIRT5 mitochondrial (d’après Ghosh et al. 2010).[209]

3.1.2.3. Régulation de SIRT1

3.1.2.3.1. Régulation de l’activité SIRT1 par l'état nutritionnel

La restriction calorique (RC) et le jeûne stimulent la surexpression des protéines SIRT1 chez les mammifères dans plusieurs tissus, y compris le foie, le muscle squelettique et de la graisse [210]. Des résultats discordants ont été rapportés par deux études, dans lesquelles RC ne produit aucun changement de l’expression ou de la teneur en protéines SIRT1 dans les tissus musculaire et hépatique [129, 211].

Rodgers et al.[212] ont montré que l'expression de protéines SIRT1 dans le foie est spécifiquement regulée par le glucose et le pyruvate et non pas par les hormones liées à l'alimentation comme l'insuline ou le glucagon. Le glucose réduit les concentrations de protéines SIRT1, alors que le pyruvate augmente les concentrations de protéines SIRT1 dans les hépatocytes en culture. Le jeûne augmente les concentrations de pyruvate dans le foie de la souris, ceci est compatible avec une surexpression des protéines SIRT1 induite par le pyruvate [212]. Le jeûne augmente également les niveaux de NAD⁺, un cofacteur indispensable pour l'activité de sirtuines [213].

L’expression de SIRT1 pendant le jeûne semble être régulée positivement par un complexe protéique constitué d’un facteur de transcription: FOXO3a et p53. Par exemple, des souris déficientes en p-53 en condition de jeûne, il n’y a pas une surexpression de SIRT1 [210].

3.1.2.3.2. Régulation de l’activité SIRT1 par le métabolisme NAD⁺

Actuellement, Il est bien établi que l’activité SIRT1 est régulée par le NAD ⁺, NADH et le ratio [NAD ⁺] / [NADH] ratio dans les cellules de la levure et des mammifères (figure 28). Le NAD ⁺ est un cofacteur requis pour la réaction de désacétylation de sirtuines de la levure et de mammifères [214]. La concentration estimée de NAD ⁺ libre nucléaire se rapproche à des valeurs de Km de Sirtuines, cela confirme que l’activité de SIRT1 est régulée par la concentration de NAD⁺ cellulaire [215]. L’état de jeûne provoque une augmentation de la concentration en NAD⁺, alors qu’à l’inverse la restriction calorique n’interfère pas avec les concentrations en NAD⁺, mais diminue la concentration en NADH [216] chez la levure. NADH inhibe de manière compétitive la stimulation de NAD ⁺ chez la levure. Contrairement à la levure, la RC et le jeûne chez les mammifères ne semblent pas moduler les concentrations en NADH dans les tissus des mammifères [212, 217]. Nonobstant le ratio [NAD ⁺] / [NADH] pourrait déterminer l'activité de sirtuines. En effet, une augmentation du rapport [NAD ⁺] / [NADH] a conduit à l’inhibition de l’expression du gène SIRT1 dans le muscle squelettique [215].

En outre, les changements d’activité des enzymes qui contrôlent les niveaux de ces métabolites peuvent affecter l'activité SIRT1. Par exemple, la biosynthèse de NAD⁺ et de nicotinamide est catalysée dans deux réactions, dont l'une des étapes est contrôlée par l’enzyme nicotinamide phosphoribosyltransférase (Nampt) aussi connu comme PBEF ou Visfatin. Les changements dans l'activité de cette enzyme dans des conditions de jeûne peuvent positivement réguler l’activité SIRT1 [218].

Figure 28. Régulation de l’activité de SIRT1 (d’après Rodgers et al. 2008)[161].