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La signalisation cellulaire de stress dans le métabolisme et l'inflammation

La signalisation cellulaire de stress dans le métabolisme et l'inflammation

La phosphorylation des protéines, des lipides ou des métabolites en réponse à des signaux environnementaux est d'une importance fondamentale pour déclencher des réponses cellulaires distinctes et étroitement contrôlées. L'altération de la signalisation médiée par les kinases est au cœur de la médecine moléculaire et de la pathophysiologie des maladies. L'objectif principal de notre laboratoire est de comprendre comment les mécanismes de signalisation physiologique peuvent être perturbés en réponse à une exposition chronique à un stress environnemental, et comment ces changements peuvent contribuer au dysfonctionnement cellulaire et à la maladie.
Ce principe peut être illustré dans une condition pathologique connue sous le nom de syndrome métabolique. Le syndrome métabolique se compose de traits cliniques tels que l'obésité, la dyslipidémie, l'hypertension, la résistance à l'insuline et l'inflammation de bas grade qui coïncident fréquemment chez les sujets exposés à un apport calorique excessif et à une activité physique réduite. Le syndrome métabolique finit par engendrer des maladies très graves telles que la stéatose hépatique, le diabète de type 2 (DT2) et les troubles cardiovasculaires, notamment l'athérosclérose. Des travaux scientifiques convaincants suggèrent que les mécanismes liés au stress dans la cellule  pancréatique contribuent au DT2. En nous intéressant à la signalisation du stress induit par la famille des kinases MAPK p38, nous avons découvert que p38 contrôle l'activité de la protéine kinase D (PKD) au niveau du Golgi pour contrôler la fonction de la cellule  pancréatique et l'homéostasie du glucose. Par la suite, nous avons démontré qu'une altération de la signalisation de PKD entraîne une perte d'insuline due à une dégradation crinophagique incontrôlée des granules d'insuline par les lysosomes au cours du DT2. La dégradation de l'insuline entraîne également le recrutement et l'activation de mTORC1 aux niveaux du compartiment lysosomal, entrainant ainsi la suppression de la macroautophagie et la défaillance des cellules  dans le DT2. En mettant l'accent sur la signalisation médiée par les kinases de stress, nous avons récemment commencé à concentrer nos efforts sur la protéine kinase 1D dépendante du calcium/calmoduline (CaMK1D). La protéine CaMK1D représente l'un des 100 loci les plus fréquemment associés génétiquement au DT2. Dans ce contexte, il a été proposé que cette kinase favorise potentiellement le dysfonctionnement des cellules  et/ou stimule la production hépatique de glucose, deux mécanismes majeurs contribuant au DT2. Nous explorons actuellement les fonctions in vivo de CaMK1D en utilisant des souris génétiquement modifiées comme modèle.
La reconnaissance du stress environnemental est également un processus impliqué dans les réponses immunitaires innées. Les motifs moléculaires associés aux agents pathogènes et aux signaux de dangers sont détectés par des récepteurs de reconnaissance de motifs moléculaires (PRR) qui déclenchent une réponse inflammatoire. Ces PRRs ont évolué de manière à permettre la détection de molécules intracellulaires et extracellulaires. Les récepteurs de type AIM2 (ALR), les récepteurs de type NOD (NLR) et la pyrine, qui détectent l'ADN, constituent la famille des récepteurs intracellulaires de l'inflammasome. La plupart des récepteurs de l'inflammasome sont hautement spécialisés dans la reconnaissance des signaux de danger spécifiques. En revanche, l'inflammasome NLRP3 est quant à lui sensible à toute une pléthore de facteurs de stress environnementaux. Nous avons récemment découvert que la signalisation de la protéine PKD au niveau du Golgi est nécessaire et suffisante pour activer l'inflammasome NLRP3. Ce travail nous a incité à centrer une grande partie de notre activité de recherche actuelle et future dans la compréhension des mécanismes moléculaires contribuant à l'inflammasome NLRP3.
Nos travaux de recherche sont axés sur la signalisation du stress dans le contexte du métabolisme et de l'inflammation. Nous utilisons une approche expérimentale intégrative allant de la biochimie en passant par la biologie cellulaire jusqu’à la physiopathologie chez la souris. A l’avenir, nous souhaitons étendre notre activité future à la médecine translationnelle, en ciblant des mécanismes de signalisation uniques et en développant des outils thérapeutiques biomédicaux innovants.

Membres

Doctorant(e)s

Technicien(ne)s

Projets en cours

1.    Dégradation lysosomale des granules d'insuline et T2D


L’acheminement incontrôlé des granules d'insuline conduisant à leur dégradation lysosomale, associé à la suppression de l’autophagie, représente un nouveau mécanisme contribuant au DT2. Cette avancée constitue une découverte majeure réalisée par notre laboratoire. Il convient donc maintenant d'explorer davantage les mécanismes moléculaires qui induisent ces processus. À cette fin, nous avons généré des lignées de cellules β pancréatiques murines stables exprimant des marqueurs de l'autophagie, des lysosomes et des granules d'insuline. Nous effectuerons un criblage cellulaire à haut débit en utilisant des bibliothèques chimiques et/ou des mutagenèses dirigées à l’aide des ciseaux moléculaires CRISPR-Cas9 à l'échelle du génome pour identifier les facteurs capables de moduler la dégradation des granules d'insuline.
Grâce à une collaboration avec Sanofi France, nous avons obtenu un composé très prometteur ciblant p38. Ainsi, nous avons réussi à prévenir la dégradation lysosomale des granules d'insuline et améliorer la fonction  cellulaire chez les souris diabétiques. À l'avenir, nous souhaitons démontrer qu'une stratégie visant à inhiber la dégradation lysosomale incontrôlée des granules d’insuline pourrait permettre d’améliorer la fonction des cellules β pancréatiques dans le DT2, préparant ainsi le terrain pour d'éventuelles études précliniques. Le criblage chimique fournira davantage de cibles et/ou de composés potentiels à explorer dans ce contexte. Nous voulons également comprendre comment la dégradation des granules d'insuline est renforcée en cas de surcharge chronique en nutriments.


2.    Régulation centrale de l'homéostasie énergétique


Les données de la littérature suggèrent que la protéine CaMK1D favorise le dysfonctionnement des cellules  pancréatiques et/ou stimule la production hépatique de glucose, deux mécanismes majeurs contribuant au DT2. Cependant, nos données générées à partir de souris, dont le gène codant pour CaMK1D a été invalidé de manière conditionnelle, fournissent la preuve irréfutable du rôle essentiel de la protéine CaMK1D dans l’homéostasie énergétique. En outre, la fonction de CaMK1D semble être redondante dans le foie et dans la cellule  pancréatique.
L’homéostasie énergétique se définit comme un équilibre entre les apports et les dépenses énergétiques. L’hypothalamus est une petite structure du système nerveux central située à la base du cerveau. Bien que de nombreux autres mécanismes peuvent être impliqués dans un tel contexte, l’hypothalamus joue un rôle central dans la régulation de l’homéostasie énergétique. Les neurones orexigènes AgRP et anorexigènes POMC du noyau arqué de l'hypothalamus jouent un rôle primordiale dans le contrôle de la prise alimentaire et de la dépense énergétique. Pour contrôler ce processus, ces neurones sont sensibles à des hormones telles que la leptine, la ghréline et l'insuline. Les récepteurs de la leptine et de l'insuline sont exprimés dans ces neurones et il a été établi que l'insuline et la leptine activent les neurones POMC et inhibent les neurones AgRP/NPY. La ghréline renforce l'activité des neurones NPY/AgRP via son récepteur, tandis qu'elle diminue l'action des neurones POMC par un mécanisme indépendant du récepteur de la ghréline.
Nous avons récemment découvert une fonction jusqu’à maintenant jamais décrite de CaMK1D dans la régulation centrale de l'homéostasie énergétique. A présent, nous essayons de comprendre par quels mécanismes moléculaires CaMK1D exercent son contrôle dans l’homéostasie énergétique afin d’établir si le ciblage thérapeutique de CaMK1D pourrait être une piste intéressante pour lutter contre l'obésité et le DT2. Pour découvrir de nouveaux mécanismes de signalisation, nous sommes en train de développer une stratégie complémentaire qui combinent des approches biaisées et non biaisées


3.    Mécanismes sous-jacents à l'activation de l'inflammasome NLRP3


Les mécanismes d'activation de l'inflammasome NLRP3 sont très complexes. Mais une des caractéristiques unique et peut-être la plus récente de NLRP3 vient de son recrutement au niveau des endomembranes pendant l'activation de l'inflammasome. Le nouveau concept est que les activateurs de l'inflammasome NLRP3 convergent vers des changements dans les endomembranes qui sont principalement détectés par NLRP3. La liaison membranaire pourrait également représenter une étape importante menant à l'oligomérisation de NLRP3. Deux sites principaux de localisation ont été suggérés : Le recrutement de NLRP3 aux membranes du réticulum endoplasmique associé aux mitochondries et plus récemment le recrutement aux vésicules émanant du réseau trans-golgien (TGN). Nous utilisons de l'imagerie microscopique de pointe pour étudier l'activation macrophagique de l'inflammasome NLRP3 en temps réel dans l'espace et dans le temps. Grâce à ces techniques, nous souhaitons comprendre comment les endomembranes recrutent NLRP3 et comment les activateurs de l'inflammasome NLRP3 affectent la composition des endomembranes. Nous avons également réalisé récemment un criblage CRISPR-Cas9 à l'échelle du génome dans les macrophages afin d'identifier de nouveaux régulateurs de l'activation de l'inflammasome NLRP3, dont certains sont en cours de validation. Les patients présentant des mutations dans le gène NLRP3 développent une maladie auto-inflammatoire appelée syndrome périodique associé à la cryopyrine (CAPS). Cependant, certaines mutations sont plutôt silencieuses et l'auto-inflammation ne se produit qu'en réponse à une irritation de la peau ou à une exposition au froid. Nous avons lancé un projet dans lequel nous cherchons à savoir si un stress mécanique peut évoquer une inflammation médiée par le gène NLRP3.

Collaborations et réseaux

Collaborations en cours :
Antonella de Matteis (TIGEM, Naples, Italy)
Serge Luquet (University of Paris, Paris, France)
Ruben Nogueiras (CiMus Santiago de Compostela)
Izabela Sumara (IGBMC, Illkirch, France)
Yansheng Liu (University of Yale, New Haven, USA)
Juan S. Bonifacino (NIH, Bethesda, USA)

Collaborations anciennes :
Ruedi Aebersold (ETH Zurich, Switzerland)
Patrik Rorsman (University of Oxford, UK)
Jiahuai Han (Xiamen University, China)
Lukas Sommer (University of Zurich, Switzerland)
Carmine Settembre (TIGEM, Naples, Italy)
Yannick Schwab (EMBL Heidelberg, Germany)
Felix T. Wieland (ZMBH Heidelberg, Germany)
Fritz Krombach (LMU Munich, Germany)
Alexander Zarbock (University of Münster, Germany)
Robert Schneider (Helmholtz Zentrum, Munich, Germany)
Thomas Baumert (University of Strasbourg, France)
Christian Wolfrum (ETH Zurich, Switzerland)

Financements et partenaires

  • SNF Assistant Professorship 2007
  • ERC Consolidator Grant 2012
  • ANR AAPG PRC 2017
  • INGESTEM National Infrastructure in Biology and Health certified by the "Plan Investissement d'Avenir" 2017
  • Fond Regional de Cooperation pour la Recherche (FRCR) of the Region Grand-EST 2018
  • EFSD/Novo Nordisk Programme for Diabetes Research in Europe 2018
  • FRM Equipe 2019

Prix/Distinctions

  • EMBO Young Investigator Award 2009
  • “Guthenberg” Chair, Alsace, France 2009
  • Swiss Society for Endocrinology and Diabetology Young Investigator Award 2009
  • “Georg-Friedrich Goetz” Research Award 2008