Activateurs physiologiques

Les premiers facteurs identifiés comme activateurs de la voie de l’AMPK sont ceux reliés au stress métabolique induisant une diminution de l’ATP intracellulaire (Moore et al., 1991). L’AMPK est physiologiquement activée au cours de l’hypoxie ou de l’ischémie dans le muscle cardiaque et les myocytes. L’hypoxie liée à un manque d’oxygène, survient notamment lors de l’exercice physique. Les traitements causant un stress métabolique tels que le choc thermique, activent l’AMPK dans des cellules intactes (Corton et al., 1994).

79 1.5.1.1 Le jeûne

La privation de glucose induit l’activation de l’AMPK dans des cellules isolées. Ainsi, l’AMPK exerce un rôle de senseur énergétique et nutritionnel in vivo. Notons que l’AMPK est activée dans le foie de rat après un jeûne (Witters et al., 1994) tandis que dans une autre étude, le jeûne n’a pas modifié son activité dans le muscle squelettique (Kaushik et al., 2001). Bien que cela soit probablement lié à des conditions expérimentales différentes, cela suggère aussi que la réponse de l’AMPK à un jeûne serait tissu-spécifique.

1.5.1.2 L’exercice physique

La contraction musculaire accroît rapidement le métabolisme énergétique en augmentant les besoins en substrats métaboliques. Par conséquent, le muscle augmente la captation du glucose et l’oxydation des acides gras lors de sa contraction. L’AMPK est apparue comme un acteur clé dans la régulation du métabolisme glucidique et lipidique lors de la contraction musculaire (Hayashi et al., 1998; Park et al., 2002). Chez l’humain, un exercice de courte durée active l’AMPK selon l’intensité de l’effort et le type d’isoformes. Lors d’un accroissement modéré de l’intensité de l’exercice, les complexes du muscle squelettique contenant AMPKα2 mais pas α1, ont une activité augmentée (Wojtaszewski et al., 2000). Plus récemment, il a été montré que l’exercice physique permettait d’activer l’AMPK du tissu adipeux chez les rongeurs et l’humain, mais aussi l’AMPK du foie, du pancréas et probablement celle dans d’autres organes (Calegari et al., 2011; Koh et al., 2007; Takekoshi et al., 2006).

1.5.1.3 Les hormones  Insuline

L’insuline sécrétée par les cellules β-pancréatiques, est une hormone anabolique et hypoglycémiante connue pour inhiber l’activité de l’AMPK du myocarde. C’est en activant le complexe PKB/Akt que l’insuline inhiberait l’AMPK puisque ce complexe est capable de phosphoryler l’AMPK sur les résidus Ser485/491, ce qui réduit considérablement la

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phosphorylation de l’AMPK sur la Thr172 (Horman et al., 2006; Kovacic et al., 2003). En revanche, l’insuline n’aurait aucun effet sur l’activité de l’AMPK du muscle squelettique et du tissu adipeux (Kahn et al., 2005).

Au niveau central, Minokoshi et al. ont montré que l’insuline pouvait inhiber l’activité de l’AMPK dans l’hypothalamus. Cela a pour conséquence une diminution de la prise alimentaire (Namkoong et al., 2005).

 Leptine

La leptine, hormone sécrétée par le tissu adipeux, régule le métabolisme énergétique en favorisant la satiété. Cette hormone est capable d’activer l’AMPK dans le muscle squelettique alors qu’elle l’inhibe dans l’hypothalamus. Ces effets tissus-spécifiques sont reliés à une régulation globale du métabolisme énergétique dans l’organisme : l’activation de l’AMPK dans le muscle potentialise le transport du glucose et l’oxydation des acides gras, tandis que dans l’hypothalamus, l’inhibition de l’AMPK par la leptine réduit l’appétit et la prise alimentaire (Tanaka et al., 2005). Le mécanisme moléculaire mis en jeu est encore peu connu.

 Ghréline

La ghréline exerce un effet opposé à la leptine. Elle est sécrétée par la muqueuse gastrique et stimule l’appétit. Plusieurs études ont trouvé que la ghréline active l’AMPK dans l’hypothalamus et le cœur alors qu’elle l’inhibe dans le foie et le tissu adipeux (Andersson et al., 2004). Il semble qu’il n’y ait pas d’effet sur l’AMPK du muscle squelettique (Vestergaard et al., 2008). La cible intermédiaire entre la ghréline et l’AMPK n’a pas encore été identifiée.

 Adiponectine

L’adiponectine est sécrétée par le tissu adipeux. Elle augmente l’oxydation des acides gras et la captation du glucose tout en inhibant la néoglucogenèse. Ces effets se produisent via l’activation de l’AMPK dans le foie et le muscle squelettique qui expriment les récepteurs

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AdipoR1 et AdipoR2 (Yamauchi et al., 2002). Au niveau de l’hypothalamus, elle stimule la prise alimentaire en activant l’AMPK (Kadowaki et al., 2008).

 Résistine (inhibiteur)

La résistine est une adipokine sécrétée par le tissu adipeux, qui jouerait un rôle négatif sur l’activation de l’AMPK. En effet, dans le foie des souris résistine -/-, la phosphorylation de l’AMPK sur la Thr172 est élevée, suggérant une inhibition de l’AMPK dans le foie par la résistine (Banerjee et al., 2004). Dans le muscle squelettique, la résistine induit une diminution de la captation et de l’oxydation des acides gras dans le muscle via une réduction du transporteur CD36 membranaire, un mécanisme possiblement AMPK-dépendant (Palanivel et Sweeney, 2005). Au niveau de l’hypothalamus, elle semble stimuler l’activité de l’AMPK (Vazquez et al., 2008). A la périphérie, la résistine aurait donc des effets opposés à ceux de l’adiponectine.

82 1.5.2 Activateurs pharmacologiques

L’utilisation d’activateurs et d’inhibiteurs pharmacologiques a rendu possible l’identification des cibles en aval de l’AMPK. Il y a encore quelques années, ces composés pharmacologiques étaient peu nombreux. Puis, les scientifiques ont démontré que les agents anti-diabétiques de la classe des biguanides et des thiazolidinediones exerçaient leurs effets anti-hyperglycémiques et anti-hyperlipidémiques en activant l’AMPK (Fryer et al., 2002; Zhou et al., 2001). Cette découverte a suscité un vif intérêt dans le développement de nouveaux activateurs de l’AMPK. Ainsi, ces dernières années, un nombre grandissant de composés modulant la phosphorylation de l’AMPK ont été identifiés.

1.5.2.1 Les biguanides

Les biguanides (Metformine, Phenformine, Galegine) stimulent la capture du glucose par les muscles tout en inhibant la néoglucogenèse et la lipogenèse hépatiques, ce qui permet l’amélioration de la sensibilité à l’insuline (Zhou et al., 2001). La Metformine est l’agent- antidiabétique le plus utilisé. Elle réduit la glycémie sans stimuler la sécrétion d’insuline. Bien qu’elle soit administrée depuis 1957, les mécanismes par lesquels la Metformine abaisse le glucose et les lipides ne sont pas encore tout à fait clairs. Zhou et al. ont montré que les effets bénéfiques de la Metformine étaient AMPK-dépendants (Zhou et al., 2001). Par ailleurs, il semble que la Metformine n’active pas directement l’AMPK, mais elle agirait en inhibant le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale, suggérant une activation indirecte de l’AMPK en augmentant le ratio AMP/ATP intracellulaire (Owen et al., 2000). Hawley et al. ont montré que le mécanisme d’action de la Metformine semble également impliquer la protéine kinase PKCζ qui phosphoryle LKB1 sur la Ser428. Cette action favorise l’export nucléaire de LKB1 puis l’activation de l’AMPK par ce dernier (Xie et al., 2008). Par contre, certains effets de la Metformine comme l’inhibition de la néoglucogenèse hépatique, semblent à la fois LKB1 et AMPK-indépendants, suggérant donc l’activation d’autres voies de signalisation par cet agent anti-diabétique (Foretz et al., 2010).

83 1.5.2.2 Les thiazolidinediones (TZDs)

Les thiazolidinediones (Troglitazone, Pioglitazone, Rosiglitazone) augmentent l’utilisation du glucose par le muscle squelettique et diminuent la production hépatique du glucose. Le mécanisme d’action n’est pas encore bien élucidé. Ces agents insulino- sensibilisateurs ont la faculté de se fixer sur le facteur de transcription PPARγ (principalement présent dans le tissu adipeux) afin de stimuler la différentiation adipocytaire, la synthèse et le transport des acides gras ainsi que la synthèse des hormones dérivées du tissu adipeux (leptine, adiponectine) (Lehmann et al., 1995). En somme, les effets des TZDs concourent à remodeler la répartition des lipides depuis la circulation, le foie et le muscle vers le tissu adipeux. En parallèle, la libération des acides gras libres et les hormones pro-inflammatoires (TNFα et résistine) est inhibée, ce qui réduit l’insulino-résistance (Yamauchi et al., 2001). Il a été proposé que les TZDs activaient l’AMPK grâce à la libération d’adiponectine par le tissu adipeux en activant PPARγ (Kudoh et al., 2011; Merrill et al., 1997). Toutefois, de nombreuses études ont observé une amélioration de la sensibilité à l’insuline indépendamment de PPARγ et de leurs effets sur les adipocytes. En effet, dans des cellules musculaires isolées, l’AMPK était activée par les TZDs favorisant le transport du glucose tandis que l’inhibition de l’ACC stimulait l’oxydation des acides gras. In vivo chez le rat, les TZDs activaient l’AMPK dans le muscle, le tissu adipeux et le foie (LeBrasseur et al., 2006). Les effets des TZDs sont donc probablement AMPK-dépendants. Concernant leur mécanisme d’action, ils pourraient agir comme les biguanides, en inhibant le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale (Brunmair et al., 2004).

1.5.2.3 L’AICAR

Le 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-ribofuranoside (AICAR) est un activateur souvent utilisé lors des expérimentations in vitro car il pénètre facilement dans la cellule (Corton et al., 1995). Il peut également être utilisé in vivo mais dans une moindre mesure que la Metformine (Pencek et al., 2005). L’AICAR est rapidement phosphorylé en analogue de l’AMP, le ZMP. L’accumulation de ZMP aboutit à l’activation de l’AMPK en mimant les effets de l’AMP: l’activation allostérique de l’AMPK, la phosphorylation du résidu Thr172 et

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l’inhibition de sa déphosphorylation. Ainsi, l’utilisation d’AICAR a permis de caractériser les effets inhibiteurs de l’AMPK sur l’ACC et sur l’HMGCoA réductase dans les hépatocytes du rat et dans les adipocytes (Sullivan et al., 1994). Dans le muscle de rat, l’AICAR stimule la capture du glucose et l’oxydation des acides gras, alors que dans le foie, ce composé inhibe la néoglucogenèse (PEPCK et G6Pase) en dégradant le facteur de transcription FOXO1(Barthel et al., 2002; Lochhead et al., 2000; Merrill et al., 1997). Ces effets sont AMPK-dépendants.

Cependant, les résultats obtenus par l’utilisation de cet activateur devraient être validés par d’autres techniques, car l’action du ZMP n’est pas complètement spécifique à l’AMPK et pourrait réguler d’autres enzymes indépendamment de l’AMPK, comme par exemple la glycogène phosphorylase participant à la glycogénolyse (Longnus et al., 2003), et la fructose- 1,6-biphosphatase (Vincent et al., 1991) intervenant dans la glycolyse et la néoglucogenèse.

1.5.2.4 Le composé C (inhibiteur)

Le composé C est un inhibiteur de l’AMPK, réversible et compétitif de l’ATP. Lorsque les cellules sont soumises à différents stimuli AMPK-dépendants (activateurs pharmacologiques ou physiologiques), le composé C n’est plus capable d’inhiber complètement l’AMPK. Ainsi, l’addition simultanée de composé C avec l’AICAR ou la Metformine, permet de limiter l’activation de l’AMPK par ces activateurs. Par contre, l’activation de l’AMPK par le dinitrophénol persiste en présence du composé C (Zhou et al., 2001). D’autre part, le niveau d’inhibition du composé C diffère d’un tissu à l’autre : par exemple, l’inhibition de l’AMPK est moins importante dans le muscle squelettique que dans les hépatocytes (Funai et Cartee, 2009; Zhou et al., 2001). Cela pourrait être lié à une spécificité des sous-unités de l’AMPK puisqu’elles sont tissu-spécifique. Les effets du composé C sont contraires à ceux induits par les activateurs de l’AMPK. Cet inhibiteur de l’AMPK réduit efficacement l’oxydation des acides gras et le transport du glucose dans le muscle ainsi que la néoglucogenèse hépatique (Merrill et al., 1997; Zhou et al., 2001). Cependant, quelques études ont montré que le composé C inhibe également d’autres protéines kinases, tel que, ERK1/2 et PHK (Bain et al., 2007). Ainsi, les effets cellulaires induits par le composé C devraient être étudiés et évalués avec soin.

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D’autres alternatives comme les techniques de biologie moléculaire (e.g. suppression de l’expression de l’AMPK en utilisant des ARNs d’interférence ou l’utilisation des mutants dominants négatifs) permettraient de résoudre ce problème de spécificité.

En résumé, l’activation de l’AMPK, soit physiologique (en particulier par l’exercice physique) soit pharmacologique, permet d’atténuer les anomalies métaboliques comme le DT2, le syndrome métabolique et peut-être l’obésité.

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