ACIDES GRAS ET SIGNALISATION ASPECTS PHYSIOLOGIQUES ET PATHOLOGIQUES ROLES ET INTERETS PHARMACOLOGIQUES DES PPARs

Université d’Alger 1 Banyoucef Benkhedda

Faculté des Sciences

Département SNV

Master I SNV (S1)

Module: Voies métaboliques et sites de contrôles

ACIDES GRAS ET SIGNALISATION

ASPECTS PHYSIOLOGIQUES ET PATHOLOGIQUES ROLES ET INTERETS PHARMACOLOGIQUES DES PPARs

Année universitaire: 2020/2021

Lipides nutritionnels

Heart

AG

Oxydation Stockage

HOMEOSTASIE LIPIDIQUE, UN PROCESSUS COMPLEXE

IMPLICATION DE PLUSIEURS TISSUS

Muscle Rouge Foie

Tissu Adipeux AG

Myocytokines IL6, IL15 Adipocytokines

Adiponectine, Leptine

Adipocytokines Adiponectine,

Leptine VLDL

AG Alimentaires

AG Alimentaires

HOMEOSTASIE DES LIPIDES, PHENOMENE COMPLEXE

FAISANT INTEREVENIR PLUSIEURS TISSUS:

LES DIALOGUES ENTRE TISSUS

METABOLISME LIPIDIQUE DEVENIR DIFFERENT SUIVANT LE TISSU

LPL

TG AG ^FAT/CD36 AG h-FABP ACS Acyl

CoA ^CPT1 AG

CO₂ Muscle squelettique

ATP b-oxydation Exercice Physique

+

LPL

TG AG ^FAT/CD36 AG a-FABP ACS Acyl CoA Adipocyte

TG HSL AG

Jeûne

+

LIPIDES ALIMENTAIRES, ACIDES GRAS ET SYNDROME METABOLIQUE

REGIME HYPERLIPIDIQUE

FACTEURS GENETIQUES

VIE SEDENTAIRE

Epidémie Mondiale:

280 millions de personnes

Augmentation de 2 fois durant les 10 dernières années

chez les adolescents

AGLs Lipides

OBESITE DIABETE DE TYPE 2

HTA

RESISTANCE A L'INSULINE DYSLIPIDEMIES

Lipides Nutritionnels

Heart

AG

REDUCTION DU CATABOLISME DES AG ACCUMULATION LIPIDIQUE

INSULINO-RESISTANCE

HOMEOSTASIE LIPIDIQUE, UN PROCESSUS COMPLEXE

IMPLICATION DE PLUSIEURS TISSUS

I R S P

P

Akt P

GLUT4 vesicle

FA

FA

LCACoA

b-oxid.

Serine Kinases PKCs, IKKb,

JNK, mTOR PDK

ROS

Ceramides DAG

FA

LCACoA

FA

Myofiber ACIDES GRAS, LIPIDES ET RESISTANCE A L’INSULINE

NFkB

Lipides Nutritionnels

Heart

AG

REDUCTION DU CATABOLISME DES AG ACCUMULATION LIPIDIQUE

INSULINO-RESISTANCE

HOMEOSTASIE LIPIDIQUE, UN PROCESSUS COMPLEXE

IMPLICATION DE PLUSIEURS TISSUS

Adipocytes

Préadipocytes Adulte Régime normal

REGIME RICHE EN LIPIDES 1-2 Semaines

- Augmentation de la taille des Adipocytes - Prolifération des

Préadipocytes

7-10 Semaines

- Augmentation du nombre d ’Adipocytes - Prolifération des

Préadipocytes

REGIME CONTROLE 10 Semaines

- Réduction de la Taille des Adipocytes CONTROLE NUTRITIONNEL DU DEVELOPPEMENT DU TISSU ADIPEUX ADAPTATION DES CAPACITES DE STOCKAGE A L’APPORT NUTRITIONNEL

Les acides gras sont-ils impliqués dans le contrôle de la prolifération et/ou de la différenciation des préadipocytes ?

L'ACIDE GRAS ALIMENTAIRE, SIGNAL BIOLOGIQUE EFFETS SUR LE DEVELOPPEMENT DU TISSU ADIPEUX

-5 0 +5 +15

ADIPOBLASTE PREADIPOCYTE ADIPOCYTE

Mitoses Post-Confluentes

Accumulation Lipidique

C/EBPb et d, LPL FAT, ALBP/aP2 C/EBPa, GPDH

In vitro In vivo

2-6 Jours 6-8 semaines

Régimes hyperlipidiques

Contrôle Bromopalmitate Régimes

hyperlipidiques

EFFETS TARDIFS (6 à 12 Jours) -Augmentation de l'Adipogénèse (Transcription et Accumulation Lipidique) EFFETS RAPIDES

(8 à 72 heures)

-Activation transcriptionnelle de FAT et ALBP -Stimulation de la Prolifération

Acides Gras à Chaîne Longue

MISE EN EVIDENCE DES EFFETS TRANSCRIPTIONNELS DES ACIDES GRAS

Préadipocyte

Les Acides Gras à Chaîne Longue sont des signaux biologiques pour le préadipocyte et agissent comme des hormones qui contrôlent la transcription de différents gènes,

le métabolisme des lipides, la prolifération et la différenciation UN RECEPTEUR NUCLEAIRE POUR LES AGCLs ?

FAT ALBP

ACS AGCL

Saturés Insaturés Non Métabolisables

Augmentation de la Prolifération et de la Différenciation

Les "Peroxisome Proliferator-Activated Receptors"(PPARs), Récepteurs nucléaires activés par les lipides

En 1990, S. Green décrit le clonage d'un nouveau récepteur nucléaire d'hormone, appelé PPARa, impliqué dans les effets transcriptionnels des Fibrates dans les hépatocytes.

Les cibles géniques de ce facteur de transcription sont plusieurs gènes du métabolisme lipidique, comme l'acyl-CoA oxydase ou la L-FABP.

Les acides gras insaturés à longue chaîne sont également des activateurs du PPARa PPARa est très peu exprimé dans les préadipocytes et les adipocytes.

Hypothèse: les effets transcriptionnels des AGCLs sont relayés par un autre PPAR qui serait exprimé dans le préadipocyte.

Les PPARs (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors) RECEPTEURS NUCLEAIRES AUX LIPIDES

A/B C D/E/F

Liaison à l'ADN

Liaison du Ligand

Récepteurs nucléaires -aux hormones thyroïdiennes

-aux rétinoïdes -aux glucocorticoïdes

-à l'echdysone

PPARa AGIs, LTB4 Fibrates Foie, Cœur, macrophages, etc PPARb AGs, PGI2 GW1516 Muscle, cœur, intestin, etc PPARg 15d-PGJ2 Thiazolidinediones Tissu adipeux, placenta, etc

A/B C D E/F

26 86 62 71

20 85 57 63 mPPARa

mPPARb

mPPARg

468 244 166 101

71

107 137

173 252

249 470 440 La SOUS-FAMILLE PPAR

L'ACIDE GRAS ALIMENTAIRE, SIGNAL BIOLOGIQUE EFFETS SUR LE DEVELOPPEMENT DU TISSU ADIPEUX

CONTRÔLE PAR PPARb et g

PPARb PPARg

-5 0 +5 +15

ADIPOBLASTE PREADIPOCYTE ADIPOCYTE

Mitoses Post-Confluentes

Accumulation Lipidique

AG

+

Différenciation Terminale

15d-PGJ2

+

PPAR (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors )

A/B C D/E/F

DNA binding

Ligand binding

Gènes Cibles et Fonctions

Contrôle transcriptionnel de gènes impliqués dans le métabolisme, la prolifération, la différenciation et l’inflammation de plusieurs tissus et types cellulaires

Plusieurs modes d’action sur la transcription

- Interaction directe avec un élément de réponse (PPRE) sur le promoteur des gènes cibles:

CIS-ACTIVATION

- Association avec d’autres facteurs de transcription (NFkB, BCL6) et modulation de leur activité sur la transcription: TRANS-REPRESSION ou TRANS-ACTIVATION

CONTRÔLE DE LA TRANCRIPTION PAR LE SYSTEME PPAR/PPRE L’exemple des actions larges sur le métabolisme des lipides

FA Uptake FAT/CD36 FATP (WAT, Intestine)

FA Binding ALBP (WAT) L-FABP (Liver, Intestine) H-FABP (Heart, Muscle)

FA Activation ACS

Ox-LDL Uptake FAT/CD36 (Macrophage)

Glyceroneogenesis PEPCK

(WAT)

FA Oxidation ACO(Hepatocyte)

P450 4A6 & 4A1 (Hepatocyte) CPT1(Heart) Blood Lipid Transport

& Metabolism Apo AI, AII, CIII Lipoprotein Lipase ACO aacg TGACCT T TGTCCT ccta ACS catg TGACTG A TGCCCT gaag L-FABP tcac TGACCT A TGGCCT atat

ALBP ctag TGAACT C TGATCC agta GENE Response Element

FAT tctc TGGCCT C TGACTT actt

PPAR (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors )

A/B C D/E/F

DNA binding

Ligand binding

Gènes Cibles et Fonctions

Contrôle transcriptionnel de gènes impliqués dans le métabolisme, la prolifération, la différenciation et l’inflammation de plusieurs tissus et types cellulaires

Plusieurs modes d’action sur la transcription

- Interaction directe avec un élément de réponse (PPRE) sur le promoteur des gènes cibles:

CIS-ACTIVATION

- Association avec d’autres facteurs de transcription (NFkB, BCL6) et modulation de leur activité sur la transcription: TRANS-REPRESSION ou TRANS-ACTIVATION

INTERACTION DES PPARs AVEC D’AUTRES FACTEURS DE TRANSCRIPTION Exemple: PPARb et NFkB

PPRE NFkBRE

NFkB PPARb PPARb ^NFkB _P65 P65

+ -

Métabolisme Oxydatif Anti-Inflammatoire Anti-Hypertrophique

- +

PPARb ^NFkB _P65

Métabolisme Glycolytique Inflammation Hypertrophie

INTERACTION DE PPARb AVEC D’AUTRES FACTEURS DE TRANSCRIPTION: BCL6 INTERACTION DE PPARb AVEC D’AUTRES VOIES DE SIGNALISATION: PKC

LIPIDES ALIMENTAIRES, ACIDES GRAS ET SYNDROME METABOLIQUE

APPROCHES COMPORTEMENTALES ET PHARMACOLOGIQUES

AGs Lipides

DIMINUTION DE L'OBESITE AUGMENTATION DE LA SENSIBILITE A L'INSULINE

AGs Lipides

OBESITE

DIABETE DE TYPE 2 HTA

RESISTANCE A L'INSULINE REGIME HYPERLIPIDIQUE

FACTEURS GENETIQUES

VIE SEDENTAIRE

RESTRICTION CALORIQUE EXERCICE PHYSIQUE

Médicaments PPARs

La souris Fatless, un modèle de diabète lipoatrophique

Les souris Fatless sont diabétiques, résistantes à l'insuline, hyperinsulinémiques et présentent une forte hyperlipémie et une accumulation de triglycérides dans le foie et les muscles. Ce phénotype ressemble à celui des humains lipoatrophiques et des patients sidéens sous trithérapie.

2 hypothèses non exclusives pour expliquer le diabète lipoatrophique:

- le tissu adipeux joue un rôle crucial dans la gestion des substrats énergétiques:

hypothèse du "fuel partitioning".

- le tissu adipeux contrôle le métabolisme de différents tissus en émettant des signaux biologiques: hypothèse des "Adipocytokines".

LE TISSU ADIPEUX:

Dr JEKYLL and Mr HYDE

STOCKAGE DES LIPIDES ET

REGULATEUR DU METABOLISME

Le tissu adipeux est nécessaire à la régulation de la glycémie:

l ’exemple de la souris « Fatless »

ACTIVITES ENDOCRINES DU TISSU ADIPEUX Dr JEKYLL and Mr HYDE

Adipsine

Angiotensinogène Leptine

Adiponectine

Acides Gras

Prostaglandines TNFa

Petits Adipocytes:

Adiponectine TNFa Acides Gras

Gros Adipocytes:

Adiponectine TNFa

Acides Gras

Macrophage

MCP-1 IL-6 IL-1 PAI-1

IL-8

TGFb

ADIPONECTINE (Acrp30 AdipoQ or apM1) UN LIEN ENTRE L'OBESITE ET LE SYNDROME X ?

Concentration plasmatique:

- Diminuée chez les rongeurs et humains obèses

- En corrélation inverse avec les risques de diabète de type 2 et l'athérosclérose chez l'homme - Augmentée après restriction calorique et perte de poids chez les obèses

- La diminution précède l'apparition de l'insulino-résistance chez le singe obèse - Le gène a été localisé en 3q27 qui est un locus de susceptibilté pour le diabète de type 2

NH2 COOH

Protease cleavage site AA 104

Collagen domain Globular domain

Protéine d'origine exclusivement adipocytaire et sécrétée dans la circulation sous la forme complète (full-length) ou plus courte (globular).

MECANISMES MOLECULAIRES DE L'ACTION DE L'ADIPONECTINE DANS LE MUSCLE SQUELETTIQUE ET LE FOIE

Fibre musculaire Hépatocyte

Adiponectin Adipocyte

AdipoR1 AdipoR2

AMPK Oxydation AG

AMPK Oxydation AG Néoglucogenèse Adiponectin

Globular

Adiponectin Full Length

ACTIONS ADIPOGENIQUES ET ANTIDIABETIQUES DE PPARg

Insulino-Sensibilisation (Action Antidiabetique)

Action Anti-Inflammatoire (NF-kB, AP-1, STAT ) Differenciation

Adipocytaire

Glitazones

Action Anti-Proliférative

(Traitements Anti-cancéreux)

PPARg 15d-PGJ2

PUFAs

Autres

?

Regulation de la sensibilité à l ’insuline et de l ’adiposité par PPARg chez des animaux en régime hyperlipidique

(Yamauchi et al., J Biol Chem, 276, 41245, 2001)

AGL

Foie Muscle

Lip Lip

Insulino -resistance Activation normale

De PPARg

Tissu Adipeux

AGL

Foie Muscle

Adiponectin AGL TNFa

Lip Lip

Insulino-sensibilité Pas d ’obésité

Adiponectin AGL

TNFa AGL

Foie Muscle

Lip Lip

Insulino-sensibilité Obésité Adiponectin

AGL TNFa

Règime Hyper- lipidique

Activation normale De PPARg

Tissu Adipeux

Activation Pharmacologique

de PPARg

TZD

Thiazolidinedione

Tissu Adipeux

LE MUSCLE SQUELETTIQUE

DIVERSITES METABOLIQUES ET FONCTIONNELLES DES MYOFIBRES ADAPTATIONS PHYSIOLOGIQUES

ASPECTS PHYSIOPATHOLOGIQUES EFFETS BENEFIQUES DE L’EXERCICE PHYSIQUE ACTIVATION PHARMACOLOGIQUE DE PPARb ET DT2

LE MUSCLE SQUELETTIQUE:

DIFFERENTES FIBRES POUR DIFFERENTES FONCTIONS

MHC 2a MHC 1

1 2 3

1: Fibre 2a

2: Fibre Hybride 2a/1 3: Fibre 1

Les fibres musculaires diffèrent:

- Par leur équipement en protéines contractiles (Myosines, troponines, …):

Contraction LENTE (Fibres de type 1) ou RAPIDE (Fibres de type 2).

a c

b a: Fibre 2b b: Fibre 1 c: Fibre 2a Act. ATPase MHC

- Par leur type de métabolisme: GLYCOLYTIQUE (Fibres 2b) ou OXIDATIF (Fibres 2a et 1)

Fibre oxydative (2a ou 1) riches en mitochondries (AG et glucose) Fibre glycolytique (2b) pauvres en mitochondries (Glucose) Activité Succinate Deshydrogénase

La composition en fibres diffère suivant le type de travail du muscle étudié Soléaire: 60% Type 1, 40% Type 2a = Oxydatif, lent/rapide; Posture

EDL: 80% Type 2b, 20% Type 2a = Glycolytique, rapide; Course

Tibialis Ant. 60% Type 2b, 40% Type 2a = Glycolytique/Oxydatif, rapide; Marche, Endurance

LE MUSCLE SQUELETTIQUE:

DIFFERENTES FIBRES POUR DIFFERENTES FONCTIONS Type 2b (rapide)

Glucidique

Glucose Glycogène

ATP Glycolyse

Lactate

Glucose

Glucose Glycogène

Glycolyse

ATP ATP

Acides Gras Oxydation Type 2a (rapide) Glucido-Lipidique

O₂ CO₂ Acides Gras

Glucose

Capillaire

Glucose

ATP Acides Gras

Oxydation Type 1 (lent)

Lipidique

O₂ CO₂

Glucose Acides Gras

Capillaire

ADAPTATIONS PHYSIOLOGIQUES ET PATHOLOGIQUES DU MUSCLE SQUELETTIQUE

LE MUSCLE SQUELETTIQUE ET L’EXERCICE PHYSIQUE

SPRINT

Augmentation de la taille des Fibres Glycolytiques

Type 2b CROISSANCE

ENDURANCE INTENSE

Augmentation du nombre de Fibres oxydatives

Type 2a et Type 1 HYPERPLASIE Le muscle s ’adapte au type d ’exercice physique lors des entraînements de longue durée: CROISSANCE, HYPERPLASIE et TRANSITION des fibres

Augmentation du nombre de Fibres oxydatives

Type 2a (rapides) Diminution des Type 2b

ENDURANCE

MODEREE

INACTIVITE, DIABETE, OBESITE

Augmentation de la proportion En Fibres Glycolytiques

Type 2b (rapides) TRANSITION L’inactivité, le diabète de type 2 et l’obésité provoquent:

- une diminution de la capacité oxydative du muscle (diminution du métabolisme mitochondrial)

et (pour certains auteurs)

- une diminution de la proportion de fibres oxydatives (Types 2a et 1)

ADAPTATIONS PHYSIOLOGIQUES ET PATHOLOGIQUES

DU MUSCLE SQUELETTIQUE

EFFETS BENEFIQUES DE L’EXERCICE PHYSIQUE

1. Le travail musculaire augmente la dépense énergétique. L’exercice modéré et de longue durée (Ex: 150 min. de marche/semaine) mène à une utilisation importante des substrats. AMELIORATION DE LA BALANCE ENERGETIQUE

2. L’exercice modéré et de longue durée (Ex: 150 min. de marche/semaine) mène à une augmentation de la proportion en fibres de type 2a et 1, donc de la capacité oxydative intrinsèque des muscles. « FUEL PREFERENCE :UTILISATION DES LIPIDES »

EFFETS BENEFIQUES DE L’EXERCICE PHYSIQUE

3. L’exercice physique affecte les activités endocrines du muscle squelettique et la sécrétion des MYOKINES (IL6, IL8, IL10, IL15, …).

ACTIVITE ENDOCRINE DU MUSCLE/ ACTIONS SUR LES AUTRES ORGANES

Copyright ©2005 American Physiological Society

Petersen, A. M. W. et al. J Appl Physiol 98: 1154-1162, 2005

Autres Myokines:

IL8, IL10, IL15, Muscline, Myostatine,

…..

Mode d'action et tissu(s) cible(s)?

PPARb ET CONTROLE METABOLIQUE

ACTIONS BENEFIQUES DES ACTIVATEURS SYNTHETIQUES

- Le traitement de singes obèses par un agoniste PPARb normalise les taux de triglycérides et l'insulinémie et augmente le HDL-choléstérol

(Oliver et al, PNAS 98, 5306-11, 2001).

- Le traitement par un agoniste PPARb empêche le développement des obésités génétiques (db/db et ob/ob) ou nutritionnelles chez la souris.

Ce traitement s ’accompagne d ’une augmentation de la capacité de b-oxydation des acides gras dans le MUSCLE et le TISSU ADIPEUX (blanc et brun).

(Wang et al. Cell 113, 159-70, 2003 ; Tanaka et al. PNAS 100, 15924-29, 2003) GW1516

LE MUSCLE SQUELETTIQUE

FONCTIONS DE PPARb DANS LE METABOLISME MUSCULAIRE

PPARb

GAPDH FAT/

CD36

a b c d

a: Contrôle b: Jeûne 24 h

c: Jeûne 48h d: jeûne 24h, re-nourris 24h

L’expression de PPARb augmente dans le muscle pendant le jeûne chez la souris.

protéinePPARb (induction)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

3 *

Cl **

3 Sem.

6 Sem.

3 x 15 min natation/ jour

L’exercice physique augmente l’expression de PPARb dans le muscle (souris, Homme).

MODELES TRANSGENIQUES DE SUREXPRESSION MUSCULAIRE DE PPARb

Luquet et al., 2003, Faseb J, 17, 2299 ; Wang et al., 2004, PLoS Biol, 2, e294 Contrôle PPARb Augmentation du nombre de fibres oxydatives

(capacité oxydative)

Diminution de la masse grasse Réduction de la taille des adipocytes Augmentation du nombre de capillaires

(Oxygénation)

EFFETS TISSULAIRES DE LA SUREXPRESSION DE PPARb

La surexpression musculaire de PPARb mime le remodelage induit par

Control

GW 0742

+/- - Nombre et type des myofibres

- Nombre des capillaires - Marqueurs moléculaires Gaudel C. et al., Am J Physiol, 2008

Souris adulte 1 mg/kg/jour

GW0742 (48 hrs) Augmentation du nombre de fibres

oxydatives (capacité oxydative)

Augmentation du nombre de capillaires (Oxygénation)

L’activation pharmacologique mène également à un remodelage musculaire semblable à celui qui caractérise l’adaptation à l’exercice physique d’endurance.

Ces effets sont rapides (terminés en 2 jours) et impliquent l’activation de la voie Calcineurine / NFAT

EFFETS TISSULAIRES DE L’ACTIVATION DE PPARb

ROLES DE PPARb DANS LA PHYSIOLOGIE MUSCULAIRE DONNEES OBTENUES AVEC LES MODELES ANIMAUX La surexpression musculaire ou l’activation pharmacologique de PPARb

PROVOQUE

Une augmentation des capacités oxydatives du muscle par:

- L’augmentation des enzymes du catabolisme des acides gras - L’augmentation du nombre de fibres oxydatives (Type 2a)

- L’augmentation de l’oxygénation (Angiogenèse)

CONSEQUENCES

-Réduction des taux d’acides gras et triglycérides sanguins (régime gras) - Réduction des contenus musculaires en lipides (régimes gras) - Réduction de la taille des dépôts adipeux et protection partielle contre l’obésité

- Amélioration de la réponse à l’insuline

MAIS ELLE NE MODIFIE PAS

- La prise alimentaire (standard, régimes gras ou occidental) - La température corporelle

- L’activité physique volontaire

PPARb CONTRÔLE LE CATABOLISME DES ACIDES GRAS DANS LE MUSCLE SQUELETTIQUE

LPL

TG FFA

CO₂

CPT1 FAT/CD36 _FABP ACS

Dans le muscle squelettique, l’activation de PPARb augmente l’expression de l’ensemble des protéines impliquées dans la b-oxydation

des acides gras et stimule le catabolisme lipidique.

ACTIVATION TRANSCRIPTIONNELLE DIRECTE (PPREs) PPARb / GW0742

+ + + + +

CO ₂

MYOFIBRE

Adipose Tissue Muscle

PPARb ^Lipids

Muscle

Upregulation (exercise, fasting) Pharmacological Activation

PPARb

Increased oxidative capabilities Oxidative fibers, capillaries

Adipose Tissue Reduction of Adiposity

and Lipid Deposition MYOKINES

IL6, IL15

Fatty Acid

Burning

EFFETS TRANSCRIPTIONNELS INDIRECTS DES PPARs

Inflammation

Proliferation Differenciation Developpement

Métabolisme MAPK

BCL6 PI3K

Wnt

Ca++

Transcription

NFkB

? ?

PPARs a, b, g

MULTIPLE BENEFICIAL ACTIONS THROUGH MULTIPLE PATHWAYS

EFFETS TRANSCRIPTIONNELS INDIRECTS DES PPARs

Inflammation

Proliferation Differenciation Developpement

Métabolisme MAPK

BCL6 PI3K

Wnt

Ca++

Transcription

NFkB

? ?

PPARs a, b, g

POSSIBLE ADVERSE EFFECTS

LONG-TERM TREATMENTS AND POTENT AGONISTS

Inserm U907, « Dysfonctions Métaboliques et Diabètes » Faculté de Médecine, Tour Pasteur

GRIMALDI Paul A.

Référence: