L’activation du complexe mTORC1

5.5.1 La contribution de Rheb-GTP

mTORC1 agit comme un senseur et son activité est connectée à l’environnement cellulaire. Les acides aminés à l’intérieur de la cellule, en particulier la leucine, sont des éléments indispensables pour l’activation de mTORC1 et leur mode d’action passe par la famille des petites GTPases Rag

96 (Schéma 39) (Xu G et al, 2001). L’activation de mTOR requiert également la GTPase RHEB et l’hétérodimère TSC1-TSC2. Les Rag GTPases sont des hétérodimères composés de RagA ou RagB associée à RagC ou RagD. En absence d’acide aminé, les Rag GTPases se retrouvent dans une conformation inactive où RagA/B est associée au GDP et RagC/D au GTP. A l’inverse, la présence d’acides aminés permet à l’hétérodimère de se retrouver dans une conformation active avec RagA/B associée au GTP et Rag C/D au GDP (Schéma 39). L’hétérodimère se lie ainsi à RAPTOR et entraîne la relocalisation de mTORC1 à la surface des endosomes tardifs et du lysosome (Sancak Y et al, 2008).

En parallèle, l’hétérodimère TSC1-TSC2 agit comme une GAP (GTPase activating protein) et maintient RHEB sous sa forme inactive RHEB-GDP à la surface du lysosome. Lorsque TSC1- TSC2 est inhibée, la conformation de RHEB-GDP change en RHEB-GTP active et peut directement participer à l’activation de mTORC1 à la surface du lysosome (Sancak Y et al, 2008).

Bai et al., ont examiné la contribution de la protéine FKBP-38 dans l’activation de mTORC1 : en étant fixée sur le domaine FRB de mTOR proche du domaine kinase, il empêche mTORC1 de phosphoryler ses substrats. Lorsque mTORC1, se retrouve sur la membrane lysosomiale alors RHEB- GTP, active, a la possibilité de s’associer à FKBP-38 et libère le site catalytique de mTORC1 (Bai X et al, 2007). Sun et al. pointent quant à eux la contribution importante de l’acide phosphatidique dans l’activation de mTORC1 et montrent que RHEB-GTP s’associe à la PLD1 pour promouvoir la génération d’acide phosphatidique et activer mTORC1 (Sun Y et al, 2008).

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5.5.2 L’activation de mTORC1 par l’acide phosphatidique

De nombreux travaux ont établi que le second messager lipidique, l’acide phosphatidique, est un médiateur clé de l’activation de mTORC1 et interagit avec le domaine FRB de mTOR (Fang Y et al, 2001). La translocation membranaire des protéines qu’il lie est un mode d’action majeur de l’acide phosphatidique. Cependant, il est également capable de réguler l’activité d’enzymes de manière allostérique (Stace CL et Ktistakis NT, 2006) et mTORC1 en fait partie. Dans un premier temps l’acide phosphatidique empêche l’action inhibitrice de FKBP-38, précédemment décrit, en s’y liant et en la décrochant de mTORC1, et par la suite est capable de se lier directement sur le domaine FRB de mTOR pour pleinement activer la kinase (Yoon MS et al, 2011). Sur le plan moléculaire, cette association de l’acide phosphatidique avec le domaine FRB implique différents résidus à la surface de mTOR. Le groupement phosphate de l’acide phosphatidique, négativement chargé, se lie à l’arginine 2109, positivement chargée, de mTOR. Un des deux groupements acyl profite des forces de Van Der Waals et occupe une partie du site de liaison de la Rapamycine : la Leucine 2031, la Phénylalanine 2039, le Tryptophane 2101 et la Tyrosine 2105 tandis que l’autre groupement acyl s’associe à une région voisine : l’Aspartate 2102, la Tyrosine 2105 et l’histidine 2106 (Veverka V et al, 2008).

Deux isoformes de la PLD génèrent l’acide phosphatidique : La PLD1 qui est généralement associée au noyau, l’endosome tardif ou encore lysosome (Freyberg Z et al, 2001) et la PLD2 qui est généralement associée à la membrane plasmique. Des travaux montrent qu’une déplétion de la PLD1 par ARN interférent dans les lignées HEK293 n’affecte pas la phosphorylation des substrats S6K et 4EBP1 au contraire d’une déplétion de PLD2. La PLD2 formeraient alors un complexe avec Raptor en se fixant sur le domaine WD40 à l’aide de son motif TOS et permettrait à l’acide phosphatidique d’activer très localement mTORC1 (Ha SH et al, 2006). A l’inverse, d’autres travaux dans les mêmes lignées avec les mêmes techniques de déplétion montrent la nécessité de la PLD1 (Fang Y et al, 2003 ; Yoon MS et al, 2011). Elle serait alors recrutée au niveau du lysosome par Vps34 (Yoon MS et al, 2011) puis activées par Rheb-GTP pour produire l’acide phosphatidique. Néanmoins, le fait que la PLD2 soit insensible à Rheb-GTP et impliquée dans l’activité de mTORC1 permet de considérer une activation de mTOR indépendante de Rheb et TSC1-TSC2 et dans d’autres compartiments cellulaires que l’endosome tardif. Ceci est à prendre en considération dans les cellules où la PLD2 prédomine par rapport à la PLD1, comme c’est le cas dans le neutrophile (Paruch S et al, 2006).

5.5.3 Sites de phosphorylation de mTOR dans le complexe mTORC1

Au sein du complexe mTORC1, la kinase mTOR est phosphorylée sur plusieurs résidus, certains d’entre eux se situent entre le site catalytique et le domaine FATC (la sérine 2448, la sérine 24481 et la thréonine 2446) et un autre se situe à proximité du domaine HEAT, la sérine 1261.

98 Schéma 40 : Localisation des sites phosphorylés de mTOR (Acosta-Jacquez HA, 2009)

L’étude de ces sites de phosphorylation a permis d’avoir un aperçu des voies de signalisation qui participent à l’activation de la protéine. La sérine 1261 a récemment été identifiée pour sa contribution dans le mode d’action de mTORC1 (Acosta-Jacquez HA, 2009). Sa phosphorylation est insensible à la Rapamycine mais permet à mTORC1 de phosphoryler ses substrats S6K1 et 4EBP1 de manière dépendante de la présence d’acides aminés et à l’inactivation de l’hétérodimère TSC1/2. Cette phosphorylation semble être importante pour la translocation de mTORC1 à la membrane du lysosome.

La Sérine 2448 de mTOR est initialement décrite comme phosphorylée par la protéine kinase AKT en présence d’acides aminés et d’insuline. Mais plus récemment, le substrat de mTOR, S6K qui sera abordé ultérieurement, a été décrit comme pouvant être le principal acteur de la phosphorylation de la Ser-2448 (Chiang GG et Abraham RT, 2006), cette phosphorylation est donc un marqueur de l’activité de mTORC1. Cependant, les expériences de mutation de la Ser-2448 en alanine n’empêchent pas les substrats de mTORC1 d’être activés, ce qui suggère que cette phosphorylation n’est pas nécessaire à l’activation de mTORC1 mais n’est que la résultante de l’activité de mTOR (Sekulic A et al, 2000).

La sérine 2481 est phosphorylée dans le complexe mTORC2 et également mTORC1. Dans ce dernier, il s’agit d’une autophosphorylation de la kinase sensible à la Rapamycine, à la déprivation en acides aminés et aux inhibiteurs de la PI3K. Cette autophosphorylation nécessite la dimérisation de mTORC1 (Schéma 30) en position –cis où l’un des deux complexes phosphoryle la Ser-2481 de l’autre. Ainsi, tout comme pour la Ser 2448, la phosphorylation de la Ser-2481 reflète l’activité du complexe sans que sa contribution dans l’activation de mTORC1 ne soit pour l’instant élucidée (Soliman GA et al, 2010). Cependant, certains travaux pointent à l’inverse que la Ser-2481 reste insensible à un traitement court des cellules par la Rapamycine et à la déstabilisation de l’assemblage du complexe mTORC1 (Copp J et al, 2009).

La phosphorylation de la thréonine 2446 est régulée de manière opposée, elle est réalisée en cas de faible concentration de nutriment et inhibée par l’insuline : L’AMPK est donc un candidat sérieux pour cette phosphorylation. Alors que la phosphorylation de la Ser-2448 est associée à l’activation de mTOR, la phosphorylation de la Thr-2446 est à l’inverse associée à des conditions d’absence

99 d’activation de mTOR, lorsque les ressources de l’environnement sont faibles (Cheng SW et al, 2004).