La capacité de mTORC1 à détecter les nutriments, d’intégrer différents signaux environnementaux et à activer différentes voies de signalisation en réponse à ces signaux font de la voie mTORC1 un régulateur central du métabolisme. De plus, mTORC1/S6K1 régule le métabolisme de différentes façons selon les tissus; le foie, le muscle squelettique, le tissu adipeux et le cerveau seront discutés dans cette section.
1.6.1 mTORC1 et le métabolisme énergétique
Il existe plusieurs façons de réguler l’activation de la voie mTORC1. En effet, l’insuline et les acides aminés sont de puissants activateurs de la voie mTORC1 alors que la rapamycine utilisée de manière aigüe est un inhibiteur très puissant de cette même voie. Cependant, il existe également différents modèles génétiques d’activation ou d’inactivation de la voie mTORC1. Parmi eux, la délétion des protéines TSC1 et TSC2, des inhibiteurs de la voie mTORC1, entraine une suractivation de cette voie. À l’inverse, la délétion spécifique de certaines composantes des complexes tels que raptor (mTORC1) et rictor (mTORC2) permet d’inactiver ces kinases. Ces différents outils ont été utilisés par plusieurs groupes afin de montrer le rôle métabolique de mTORC1/2. De plus, une partie des effets associés à ces modèles sont dépendants de S6K.
Les maladies métaboliques telles l’obésité sont composées, entre autres, d’un dérèglement du métabolisme des différents substrats énergétiques. Au niveau du foie, l’utilisation de souris déficientes pour TSC1 (suractivation de mTORC1) ou raptor (inactivation de mTORC1) spécifiquement dans le foie a montré que mTORC1 inhibe la cétogenèse induite par le jeûne (239). La cétogenèse est le processus par lequel les cétones sont produites à partir de triglycérides lorsqu’il y a peu de glucose disponible dans les cellules comme lors d’un jeûne. La production de cétones a pour objectif d’approvisionner les tissus en énergie
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afin de compenser le manque de glucose. Les cétones sont également diminués chez les patients obèses (240, 241) et au cours du vieillissement (239). Les auteurs ont également montré que ces résultats étaient causés par l’inhibition de PPARα par mTORC1. Ainsi, mTORC1, qui est également activé en présence de nutriments, inhibe l’oxydation des lipides. Ainsi, mTORC1 est un important contributeur de la diminution des corps cétoniques et un inhibiteur de l’oxydation des lipides après un repas. Dans les souris déficientes sélectivement pour raptor dans le foie, une diète riche en gras et en sucre révèle que mTORC1 hépatique participe à la prise de poids ainsi qu’au développement de la stéatose hépatique (242). Par ailleurs, une étude récente illustre un nouveau concept complexifiant la compréhension du rôle de mTORC1 hépatique sur la stéatose hépatique. En effet, cette étude a montré qu’alors que l’activité de mTORC1 augmente avec l’âge et l’obésité, la proportion de la protéine Raptor (composante de mTORC1) « libre » (dissociée du complexe) diminue. Ce raptor libre participerait à la diminution de le la stéatose hépatique en favorisant l’inhibition d’Akt qui, lui, favorise la lipogenèse (243). Cependant, notre compréhension du rôle des différentes composantes de mTORC1 lorsqu’ils sont libres est loin d’être éclaircie. D’autant plus que mTORC1 participe également à plusieurs boucles de rétro-inhibition négative régulant Akt ce qui peut entrainer certains phénomènes compensatoires.
Le muscle est un organe important et nécessite une régulation fine puisqu’il est très dynamique. mTORC1 est une kinase essentielle au développement et à la réparation musculaire puisque les souris déficientes pour Raptor dans le muscle ont une atrophie musculaire, une diminution de la capacité oxydative et une augmentation des dépôts de glycogène qui ensemble participent au développement de la dystrophie musculaire (185). mTORC1 assure également un bon couplage excitation-contraction dans le muscle squelettique en régulant entre autres les niveaux de calcium (244). Paradoxalement, une suractivation de mTORC1 par la délétion de TSC1 spécifiquement dans le muscle squelettique de souris induit également une dysfonction musculaire qui est causée par une inhibition de l’autophagie nécessaire à l’homéostasie musculaire (245). Une étude a récemment comparé le rôle métabolique entre la délétion de Raptor (RAmKO, inactivation de mTORC1 dans le muscle) et la délétion de TSC1 (TSCmKO, activation de mTORC1)
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spécifiquement dans le muscle (246). Les deux modèles sont caractérisés par une diminution du gain de poids et de la masse maigre. Par contre, les souris RAmKO sont résistantes à l’insuline, mais glucose tolérante alors que les souris TSCmKO sont sensibles à l’insuline, mais glucoses intolérantes à l’âge de 10 semaines. Lorsqu’elles sont exposées à une diète riche en gras, les deux modèles sont résistants à l’obésité et à la stéatose hépatique, mais développent tous deux une résistance à l’insuline à long terme (246). Les données de cages métaboliques indiquent aussi que sous une diète riche en gras, les souris TSCmKO mangent plus et dépensent plus d’énergie sans changement de leur quotient respiratoire alors que les souris RAmKO ont une diminution de leurs dépenses énergétiques ainsi que de leur quotient respiratoire indiquant leur préférence pour l’utilisation des lipides (246). Cette étude suggère que l’activation musculaire de mTORC1 est nécessaire afin d’induire les gènes liés à l’oxydation des lipides et du glucose, mais induit une résistance à l’insuline. Cependant, à la fois une suractivation et une perte de l’activité de mTORC1 dans le muscle induisent une myopathie associée à une perte de masse grasse et une résistance à l’insuline chez les souris âgées de plus de 20 semaines (246). La complexité des phénotypes observés par la suractivation et la perte de l’activité de mTORC1 dans le muscle squelettique montre à quel point mTORC1 est essentiel pour le développement des tissus, mais également dans l’homéostasie des voies métaboliques en réponse à différents stress métaboliques tel l’excès de nutriments. Ainsi, inhiber complètement mTORC1 ne serait peut-être pas une stratégie efficace pour traiter l’obésité et le diabète de type 2. Au niveau du tissu adipeux, mTORC1 est essentiel à l’adipogenèse et aux fonctions adipocytaires. Un modèle déficient pour Raptor sélectivement dans le tissu adipeux sous le contrôle du promoteur Adiponectine-Cre induit une lipodystrophie et une résistance à l’insuline ainsi qu’une importante augmentation de la masse du foie causé par une stéatose hépatique (247). Cette stéatose hépatique est probablement causée par le fait que ces souris sont lipodystrophiques et ne peuvent stocker les lipides dans le tissu adipeux favorisant ainsi une lipotoxicité. Comme montré également dans un autre modèle déficient pour Raptor dans le tissu adipeux, mais moins spécifique par l’utilisation du promoteur AP2- Cre, ces souris sont plus petites et sont résistantes à une diète induisant l’obésité (247, 248). Les effets de mTORC1 sur l’adipogenèse sont induits par 4E-BP1, Lipin1 et S6K1 qui
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ensemble régulent l’activité de PPARγ, CCAAT/enhancer-binding proteins (C/EBPs) et SREBPs afin d’augmenter l’expression des gènes lipogéniques et de différenciation adipocytaire (249-251). De récentes études ont montré que le tissu adipeux blanc a la capacité de devenir avec un phénotype de tissu adipeux brun et donc plus oxydatif, un phénomène appelé le « beiging » (252). L’utilisation d’un modèle de souris déficient pour TSC spécifiquement dans le tissu adipeux (suractivation de mTORC1) a permis de montrer que mTORC1 stimule le tissu adipeux brun à devenir comme un tissu adipeux blanc (253). À l’inverse, la rapamycine peut également empêcher un agoniste β3-adrénergique et le froid de stimuler le tissu adipeux blanc à devenir avec un phénotype de tissu adipeux brun (254). Dans la même lignée que cette dernière étude, l’activation β3-adrénergique a été montrée pour stimuler PKA ce qui augmente l’activation de mTORC1 et l’expression de UCP-1 (uncoupling protein) (255). Ces résultats suggèrent que l’activation classique de mTORC1 par les nutriments ou l’insuline favoriserait un phénotype de tissu adipeux blanc pour le stockage alors qu’une stimulation adrénergique favoriserait l’action de mTORC1 sur l’oxydation des lipides. Cependant, d’autres études seront nécessaires afin d’éclaircir comment mTORC1 régule des processus différents selon le mécanisme d’activation. mTORC1/S6K1 joue également un rôle très important dans l’hypothalamus en régulant la prise alimentaire (256). mTORC1/S6K1 est activé par la prise alimentaire dans les neurones AGRP (agoupi-related peptide hormone) / NPY (neuropeptide Y) et POMC (proopiomelanocortin) par l’insuline, la leptine et la ghréline (257). En effet, la prise alimentaire active mTORC1/S6K1 ce qui inhibe l’expression de AGRP/NPY (orexigénique) et augmente l’expression de POMC (anorexigénique) dans l’hypothalamus médio-basal (MBH). Cependant, malgré que l’obésité induit une suractivation de la voie mTORC1/S6K1 au niveau périphérique, l’activation de la voie mTORC1/S6K1 par les nutriments, la leptine ou l’insuline est plutôt diminuée au niveau central contribuant ainsi au développement de l’hyperphagie et la prise de poids (256)(258, 259). Ces résultats contrastent avec l’activation chronique de mTORC1/S6K1 en périphérie qui est plutôt suractivée. Il est donc possible qu’il y ait des mécanismes distincts de régulation de cette voie entre l’hypothalamus et les tissus périphériques. Récemment, Caron A et collègues (260) ont montré que la surexpression de Deptor dans le MBH de souris, un inhibiteur
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endogène de mTOR et membre de mTORC1, les rendaient résistantes à l’obésité induite par une diète riche en gras, améliorait la tolérance au glucose et diminuait la stéatose hépatique qui était associée à une diminution de la prise alimentaire. Ces résultats ne semblent pas être expliqués par un rôle de Deptor dans les neurones POMC puisque la surexpression de Deptor spécifiquement dans les neurones exprimant POMC ne récapitule pas les effets de la surexpression de Deptor dans le MBH suggérant que d’autres populations de neurones sont impliquées dans les effets métaboliques induits par Deptor (261).
Par ailleurs, certaines études ont également montré que mTORC2 et mTORC1 peuvent être régulés directement par les lipides. L’activité de mTORC2 dans les hépatocytes est inhibée par la surexpression de Gpat1 (glycérol-3-phosphate acyltransferase-1). D’autres études similaires ont montré que mTORC2 et mTORC1 peuvent être inhibés ou activés par différentes espèces de lipides tels l’acide phosphatidique, mais la compréhension de la régulation directe de mTORC1/2 par différentes espèces de lipides reste encore à être étudiée (262, 263). Récemment, un groupe a suggéré que les lipides produits de la lipolyse inhiberaient à la fois mTORC1 et mTORC2 afin d’inhiber le captage de glucose dans les adipocytes (264). Ces résultats sont intéressants puisqu’ils pourraient expliquer comment les lipides produits pour la β-oxydation inhibent l’entrée de glucose. Cependant, ils n’ont pas identifié précisément les lipides impliqués dans ce processus. D’autre ont montré que le PA (phosphatidic acid) pourrait jouer un rôle en inhibant et en activant mTOR en fonction du type de lipide. En effet, le PA contenant deux acides gras saturés inhibe mTORC2 (265), alors que le PA contenant un acide gras saturé et un acide gras insaturé activerait mTORC1 et mTORC2, car le PA serait nécessaire à la stabilité des deux complexes (262, 266). De plus, une étude récente a montré que le PA produit par la phospholipase D déplaçait Deptor et activait par ce mécanisme mTORC1 (267). Ainsi les niveaux de PA pourraient être un indicateur des besoins cellulaires en lipides notamment des membranes lipidiques afin de réguler l’équilibre entre le stockage et les besoins en lipides (263). Il serait intéressant de déterminer si le PA joue un rôle important dans la suractivation de mTORC1/S6K1 dans l’obésité.
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1.6.2 Le rôle de S6K dans le métabolisme énergétique
Plusieurs des effets métaboliques de mTORC1 sont également reproduits par son substrat S6K. Les différents modèles génétiques utilisés durant les 10 dernières années ont grandement aidé à déchiffrer le rôle métabolique de S6K1 et S6K2. En effet, les souris déficientes pour S6K1 sont plus petites alors que les souris S6K2 sont plus grosses que les souris contrôles (218). Cependant, les souris déficientes pour les deux isoformes sont plus petites et décèdent autour de la naissance révélant leur importance dans le développement (218). À noter que ces modèles sont à risque de développer des mécanismes compensatoires pouvant expliquer une partie des phénotypes observés puisqu’ils partagent la plupart de leurs substrats entre eux et avec d’autres kinases.
De manière très intéressante, ces modèles de souris présentent également des phénotypes métaboliques modifiés par la perte de ces kinases. Tout comme mTORC1, l’activité des S6Ks sont augmentés par l’exposition à des nutriments, l’inflammation et dans plusieurs pathologies telles que l’obésité, la résistance à l’insuline et le diabète de type 2 (268). En effet, les souris déficientes pour S6K1 sont résistantes à l’obésité induite par une diète riche en gras à cause de l’augmentation de la lipolyse et de la dépense énergétique (269). De plus, ces souris sont plus sensibles à l’insuline suggérant une amélioration des boucles de rétrocontrôle négatives sur la voie PI3K/Akt (section 1.3.1). Cet effet est probablement causé par la diminution des boucles de rétrocontrôle négatives sur la phosphorylation d’IRS-1 et mTORC2 augmentant ainsi l’action de l’insuline (49, 53-55, 59, 269, 270). Puisque S6K1 semblent jouer un rôle important dans l’obésité et la résistance à l’insuline, plusieurs groupes ont essayé d’inhiber l’activité de S6K1 en utilisant des modèles génétiques. Une étude a utilisé des rats Sprague-Dawley ayant reçu deux injections d’oligonucléotides anti-sens contre S6K1 par semaine pendant 4 semaines afin d’évaluer le potentiel thérapeutique de diminuer l’expression de S6K1 (271). Dans cette étude, une réduction de 80% de l’expression de S6K1 diminuait le gain de poids durant les 4 semaines et augmentait la sensibilité à l’insuline (271). Une autre étude a également évalué le potentiel thérapeutique d’inhiber S6K1 et S6K2, mais spécifiquement au niveau du foie. Le groupe de Dr. Olefsky a utilisé des lentivirus (LV) qui exprimaient des shARN contre S6K1 et S6K2 (236). À l’aide de cette technologie, ils ont montré que la réduction de
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l’expression de S6K1/2 améliorait la sensibilité à l’insuline systémique et la tolérance au glucose chez des souris sous diète riche en gras (HF) sans changer la prise alimentaire ou le poids des souris. Ces résultats étaient également associés à une réduction de la production hépatique de glucose et une diminution de la stéatose hépatique causée par une réduction de l’expression de SREBP1c (236). De plus, la signalisation de l’insuline au niveau de la phosphorylation d’Akt et de FOXO était améliorée en condition postprandiale dans le foie et le tissu adipeux. Ces résultats indiquent qu’une diminution de l’expression de S6K1 et S6K2 uniquement dans le foie est suffisante pour renverser les effets délétères associés à l’obésité. Par ailleurs, même sans acides aminés, S6K est fortement activé par les lipides et les effets bénéfiques observés par l’absence de S6K1 et S6K2 semblent être présents seulement lorsque les souris sont soumises à une diète contenant des lipides suggérant un rôle important de S6K comme médiateurs des effets délétères des lipides (272).
Au niveau musculaire, une élégante étude a montré que l’absence de S6K1 dans le muscle squelettique est associée avec une augmentation de l’activité de l’AMPK qui est une kinase importante dans le contrôle de l’homéostasie énergétique (273). En fait, l’absence de S6K1 augmente la quantité d’adénosine monophosphate (AMP) alors que les niveaux d’ATP ne changent pas dans le muscle squelettique causant ainsi un ratio élevé AMP/ATP ce qui active l’AMPK. Cette étude a également permis de déterminer que les muscles déficients pour S6K1 consommaient préférablement les lipides au glucose (273). De plus, la leptine diminue la prise alimentaire en inhibant l’AMPK via l’activation de S6K1 qui phosphoryle la Ser491 de l’AMPK. Ces résultats suggèrent donc une régulation directe de l’activité de l’AMPK par S6K1 (274).
Dans le tissu adipeux viscéral humain de patients obèses, l’expression de S6K1 est augmentée et est associée positivement avec la résistance à l’insuline (275). Les niveaux d’expression de S6K1 corrèlent également avec plusieurs marqueurs inflammatoires tels que TNF-α (Tumour necrosis factor -alpha). Toujours au niveau des adipocytes, S6K1 est également important pour l’initiation des cellules souches à se différencier en adipocytes (249). De plus, S6K1 est nécessaire également à la transcription de gènes précurseurs impliqués dans les premières étapes de l’adipogenèse (249). Ces résultats expliquent en partie pourquoi les souris déficientes pour S6K1 sont résistantes à une diète induisant l’obésité (269).
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S6K1 est une kinase centrale dans la résistance à l’insuline et elle participe à l’action de plusieurs signaux, dont les lipides. S6K1 est connu pour induire la lipogenèse et ainsi le stockage des lipides (section 1.5), mais S6K1 peut aussi induire, en partie, la résistance à l’insuline causée par certaines espèces de lipides. Parmi ces espèces, on retrouve les céramides et le palmitate qui sont largement connus pour participer à la résistance à l’insuline et diminuer l’activité de la signalisation de l’insuline (276, 277). Les céramides ont été montrés pour induire la résistance à l’insuline via trois mécanismes, soit l’activation de PKCζ (278), l’activation de la phosphatase PP2A (279) et l’activation de la voie RHEB/mTORC1/S6K1 qui bloque la signalisation de l’insuline au niveau des protéines IRS et Akt (280). Le palmitate a été montré aussi pour activer mTORC1/S6K1 et diminuer la signalisation de l’insuline dans les hépatocytes (281). Cependant, les mécanismes exacts par lesquels ces lipides activent la voie mTORC1/S6K sont encore inconnus.
Malgré le peu d’études ayant évalué le rôle de S6K2 dans le métabolisme énergétique, S6K2 est important pour réprimer l’activité de PPARα (peroxysome-proliferator-activated receptor alpha) en s’associant avec son co-répresseur NCOR1 (nuclear receptor corepressor 1) au niveau du foie (238). Un des rôles importants de PPARα est le contrôle de la cétogenèse. Les souris déficientes pour S6K2 montrent une augmentation de l’activité de PPARα et de la production de corps cétoniques (238). De plus, les souris obèses (ob/ob) montrent une augmentation de l’activité de S6K2 et une plus grande association entre S6K2 et NCOR1 qui est associée à une diminution de la production de corps cétoniques (238). Ainsi, la diminution de la production de corps cétoniques après un repas induite par l’activation de mTORC1 est probablement stimulée par S6K2 (239). En résumé, S6K1 et S6K2 représentent des cibles thérapeutiques potentielles afin d’améliorer le métabolisme énergétique dans les maladies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2.