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Transport, captage, métabolisme et mobilisation des acides gras

Transport, captage, métabolisme et mobilisation des acides gras dans le tissu adipeux de l’homme. Max LAFONTAN Directeur de Recherches Inserm Inserm Unité 858 IFR-31, Institut Louis Bugnard, I2MR BP 84225 31432 TOULOUSE cedex 4, France Max.Lafontan@toulouse.inserm.fr.

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Transport, captage, métabolisme et mobilisation des acides gras

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  1. Transport, captage, métabolisme et mobilisation des acides gras dans le tissu adipeux de l’homme. Max LAFONTAN Directeur de Recherches Inserm Inserm Unité 858 IFR-31, Institut Louis Bugnard, I2MR BP 84225 31432 TOULOUSE cedex 4, France Max.Lafontan@toulouse.inserm.fr

  2. De l’adipocyte isolé…........ à la physiologie • Etudes sur le métabolisme des acides gras dans l’adipocyte ont • été effectuées in vitro sur: • des adipocytes murins issus des lignées cellulaires 3T3-L1, • 3T3-F442A ou ob17, • des adipocytes matures isolés de rats, de souris et humains, • des précurseurs adipocytaires murins et humains issus • de la fraction stroma-vasculaire du tissu adipeux ou • des cellules souches (hMADS) et différenciés en adipocytes • in vitro. • Apport majeurs des études de transgenèse et d’invalidation • de gènes chez la souris. • Travaux de physiologie beaucoup plus rares chez l’homme • (bilans des différences artério-veineuses, microdialyse, • études cinétiques avec des isotopes stables….).

  3. TG Foie AGNE AGNE Tissu adipeux Corps cétoniques et CO2 VLDL LPL TG AGNE AGNE ATGL/LHS AGNE Intestin grêle Chylomicrons (via voie lymphatique) Muscle, myocarde, cortex rénal, etc. LPL AG Nutriments (lipides, protéines, glucides, micronutriments…) CO2 TAG

  4. Concentration des AGNE plasmatiques et veineux chez 14 sujets normaux avant et après la prise d’un repas mixte Sang veineux du tissu adipeux à jeûn AGNE plasmatiques , µmol/l 1 5 0 0 1 0 0 0 Sang artériel 5 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 Repas mixte Temps, min

  5. Insuline plasmatique et libération des AGNE par la tissu adipeux (sang veineux) chez des sujets normaux. jeûne INSULINE 80 1.5 n=13 -1 .min 60 -1 1.0 µmol.100 ml 40 libération des AGNE par le TA Insuline plasmatique , mU/l 0.5 20 0 0 -40 0 60 120 180 240 300 360 Temps après le repas (min) Repas (3.1 MJ, 93 g CHO, 31 g graisse) d’après Coppack et al., Clin. Sci. 1996 90:09-15

  6. Flux transcapillaire des acides gras dans le tissu adipeux humain Mesure des différences artérioveineuses Influx des acides gras Efflux des acides gras (mobilisation des lipides) Changement rapide après le jeûne induit par la réalimentation Repas Frayn KN, Diabetologia, 2002, 45:1201-1210

  7. Voies de stockage et de mobilisation des lipides dans le tissu adipeux humain Dépôt de lipides (stimulé par l’insuline) Mobilisation des lipides (supprimée par l’insuline) TG TG Stimulée par catécholamines et les peptides natriurétiques Lipoprotéine lipase estérification Acides gras TG TG Chylomicrons, Particules VLDL LIPASES Albumine Acides gras libres (AGNE) Acides gras Glycérol Glucose Glycérol LPL: Lipoprotéine lipase; HSL, lipase hormono-sensible; TG, triacylglycerol (triglycerides)

  8. Activités lipoproteine lipase (LPL) et lipase hormono-sensible (LHS) in vivo -1 300 400 LPL .. min -1 350 250 LHS 300 200 250 150 200 Activité LHS, nmolglycérol.100g-1.min-1 activité LPL, nmol glycérol.100g 150 100 100 50 50 INSULINE Meal 0 0 -40 0 60 120 180 240 300 360 Repas Temps, min 13 sujets normaux à jeûn depuis la veille. Frayn K. et al. 1995 Proc. Nutr. Soc. 54:177-189

  9. Echanges lipides plasmatiques / tissu adipeux Lumière capillaire Proteoglycans heparan sulfate (HSPG) TG TG TG TG TG Lipoprotéine lipase Insuline + ASP (Acylation stimulating protein) + LPL LPL TG TG Chylomicrons LPL - TG TG lipase de l’adipocyte Lipase hormono-sensible Lipase des monoglycérides AG ATGL LHS/LMG TG Insuline – Catécholamines + Peptides natriurétiques + (ANP et BNP) TG TG LPL TG AGNE-Albumine ADIPOCYTES Endothelium capillaire

  10. Structure primaire du glycosylphosphatidylinositol-anchored high density lipoprotein binding protein 1 (GPIHBP1) UPAR:urokinase type plasminogen activator Domaine chargé négativement (17-25 résidus sont des glutamates ou aspartates chez la souris Motif Ly6 UPAR contenant de multiples cystéines Motif hydrophobe carboxyterminal assurant l’ancrage avec un glycosylphosphatidylinositol Young SG et al, Curr. Opin. Lipidol., 2007, 18: 389-396

  11. Liaison de la lipoprotéine lipase et des particules de chylomicron par GPIHBP1- à la surface luminale de la cellule endothéliale capillaire Domaines structuraux de GPIHBP1 liant la LPL ou les chylomicrons ne sont pas connus. • Proteoglycans • heparan sulfate (HSPG) • peuvent aussi lier LPL. • contribution respective • des deux structures • reste à définir. Young SG et al, Curr. Opin. Lipidol., 2007, 18: 389-396 Beigneux AP et al. Cell Metabolism, 2007, 5: 279-291

  12. Captage des acides gras par la cellule Albumine Lipoprotéines - NEFAs - PLASMA 1) association - - 2) barrière de diffusion - Transport médié par des protéines H FABP 3) flip-flop (état non ionisé) - H FABP 4) transport membranaire 5) dissociation - CYTOSOL 6) liaison et métabolisme Membranes intracellulaires (mitochondrie, RE, peroxysomes, env.nucl..)

  13. VLDL Chylo microns Albumine 3 2 AG 1 FABP pm FATP-1/4 FAT/ CD36 Membrane plasmique 4 Acyl-CoA CoA AG AG Acyl-CoA ALBP ACS ACBP AG CoA Transduction du signal - Expression gènes Oxydation/esterification/acylation D’après Koonen DPY et al. BBA, 2005, 1736:163

  14. Proportions relatives de [3H]OA non-estérifié et esters tritiés (mono-, di-, triglycerides) dans des adipocytes de rat • Captage de l’acide oléique linéaire (20-30s) et estérification rapide • Le captage s’effectue par un mécanisme saturable et un flip-flop passif. Stump, D. D. et al. J. Lipid Res. 2001;42:509-520

  15. Localisation des protéines impliquées dans le captage des acides gras à longue chaîne dans l’adipocyte. Fractionnement cellulaire 4-7 membrane Plasmique 8-13: Golgi 14-18: reticulum endo. Pohl J. et al., Mol. Biol. Cell, 2005, 16: 24-31

  16. Captage des acides gras à longue chaîne (LCFA) et expression de FATP dans les préadipocytes et adipocytes 3T3-L1 Northern blot of Poly(A+) mRNA adipocytes Western blot FATP 1 et 4 préadipocytes Captage de l’acide cis-parinaric Stahl A. et al. Dev. Cell, 2002, 2:477-488

  17. Western blots FATP-1 et FATP-4 dans des fractions membranaires d’adipocytes 3T3-L1- Effet d’une stimulation insulinique PM: membrane plasmique LDM: membranes faible densité HDM: memebranes haute densité PEL: culot 3T3-L1 Adipocytes epididymaires PM- adipocytes epididymaires Membrane plasmique

  18. Effet de l’insuline sur le captage des acides gras par les adipocytes 3T3-L1 [14C]oleate Stahl A. et al. Dev. Cell, 2002, 2:477-488

  19. Topologie membranaire des FATP AMP-binding site activité acyl-CoA synthase Influx couplé à l’estérification « metabolic trapping » Lewis et al. JBC, 2001, 276: 37042-50

  20. Effets de l’insuline sur la régulation de GLUT4 et FATP-1/4

  21. Translocase des acides gras FAT/CD36 Membrane plasmique • - FAT/CD36 est localisée de façon exclusive dans les radeaux • lipidiques (rad.lip.) (riches en sphingolipides et cholestérol). • Destruction des rad. Lip. (cyclodextrine) ou inhibition CD36 perturbent • le captage de l’oléate marqué. • - FAT-CD36 est impliqué dans le captage AGL médié par rad.lip. Membranes résistantes aux détergents Autres fractions membranaires intracellulaires Membranes solubles par détergents Pohl J. et al., Mol. Biol. Cell, 2005, 16: 24-31

  22. Systèmes protéiques impliqués dans le transport des AG à longue chaîne Radeaux lipidiques - cavéolines FAT/ CD36 FATP-1/-4 Acyl-CoA synthase (ligase) Acyl-CoA binding protéine Fatty acid binding protéine Stahl et al, Trends in Endocrinol. Metab., 2001, 12:266

  23. QUELQUES REMARQUES: Capacité lipogénique (néosynthèse d’AG) réduite dans le tissu adipeux humain – différence avec les rongeurs. Devenir des acides gras captés par l’adipocyte  Estérification rapide des acides gras selon les voies bien identifiées. Captage des AG dans l’adipocyte humain – Présence des mêmes transporteurs d’AG que ceux identifiés dans les adipocytes 3T3-L1

  24. Western blot du précurseur SREBP-1c (A) et mature SREBP-1c (B), (intensité relative / mg de tissu) Rat Autres gènes: • Bas niveau d’expression de • fatty acid synthase (FAS), • acetyl-CoA carboxylase 1 • - ChREBP: “carbohydrate • response element binding • protein” humain humain Rat Letexier, D. et al. J. Lipid Res. 2003;44:2127-2134

  25. glycerol-3-phosphate acyltransferase 1-acylglycerol-3-phosphate acyltransferase (AGPAT) phosphatidate phosphohydrolase monoacylglycerol- acyltransferase diacylglycerol acyltransferase Voies de biosynthèse des triacylglycerol Monoacylglycerol pathway Monoacylglycerol

  26. DGAT (acyl CoA:diacylglycerol acyltransferase )est une enzyme-clé de la synthèse des TG, elle catalyse l’étape finale de la synthèse de TG dans l’adipocyte. DGAT Chen HC et al.,Trends Cardiovasc. Med., 2000, 10: 188

  27. Captage de l’ [3H]oleate par les adipocytes issus du tissu adipeux omental de femmes afro-méricaines et caucasiennes Bower, J. F. et al. Am J Physiol Endocrinol Metab 290: E87-E91 2006

  28. Western blots représentatifs des protéines transporteurs d’acides gras FAT/CD36 et FATP-4 dans le tissu adiepux omental de femmes Afro-Americaines (AAW) et Caucasiennes (CAW) Bower, J. F. et al. Am J Physiol Endocrinol Metab 290: E87-E91 2006

  29. Bower, J. F. et al. Am J Physiol Endocrinol Metab 290: E87-E91 2006

  30. upper-body subcutaneous lower-body fat Différences dans le captage des AGNE dans le tissu adipeux selon la nature du dépôt et le sexe chez des patients normaux - Captage des NEFAs plus important chez la femme - Pas de différences selon le dépôt chez la femme Captage des NEFAs différent selon le dépôt Shadid S. et al. Diabetes 56:1369-1375, 2007

  31. Expression des gènes des transporteurs d’acides gras • Expression plus importante de FAT/CD36 et FATP-4 dans le tissu abdominal • et fémoral de la femme par rapport à l’homme. Pas de différences inter-dépôt. • Expression plus importante des trois transporteurs dans le tissu abdominal • que dans le fémoral chez l’homme. Shadid S. et al. Diabetes 56:1369-1375, 2007

  32. Régulation de la lipolyse et mobilisation des acides gras non estérifiés. • Les lipases du tissu adipeux (ATGL, LHS, LMG…) • Les protéines péri-gouttelette lipidique (périlipines,CGI-58) • L’insuline active la phosphodiestérase3B  AMPc↓ • Les systèmes lipolytiques (système nerveux orthosympathique • et peptides natriurétiques) et antilipolytiques (insuline, adénosine, • prostaglandines E1/E2, NPY/PYY, acide nicotinique…).

  33. LA TG LIPASE DE L’ADIPOCYTE (ATGL) et LA LIPASE HORMONO-SENSIBLE (LHS) Elle sont responsables de l'hydrolyse des triglycérides dans l’adipocyte, l’ hydrolyse terminale est assurée par la LMG: ATGL LHS LMG LHS Triacylglycérol Diacylglycérol monoacylglycérol glycérol AGL ou (Acides gras non estérifiés) AGL AGL ATGL : triglycéride lipase de l’adipocyte LHS : Lipase hormono-sensible, LMG : Lipase des mono-acylglycérides, AGL : Acide gras libre (acide gras non estérifié)

  34. La lipase des triglycérides (ATGL) récemment identifiée hydrolyse exclusivement les triglycérides de l’adipocyte  génère des diglycérides Cellules Cos7 transfectées Inhibiteur spécifique de LHS P<0.05 120 80 Triolein hydrolysis (%) 40 Structure chimique du BAY 0 Basal BAY Basal BAY LHS ATGL Langin et al., Diabetes, 2005, 54:3190

  35. Inhibition de la lipolyse dans l’adipocyte humain par le BAY P<0.05 P<0.05 6 P<0.05 P<0.05 3 Glycerol release 4 2 P<0.05 Fatty acid release 2 1 0 0 Basal Bay Iso Bay + Iso ANP Bay + ANP Basal Bay Iso Bay + Iso ANP Bay + ANP Langin et al., Diabetes, 2005, 54:3190

  36. Données en faveur d’un rôle majeur de la LHS dans le tissu adipeux humain.  Purification d ’une seule lipase de triglycérides active à pH neutre: la LHS Test d ’activité enzymatique en présence d ’anticorps anti LHS Inhibition à 95 % Forte corrélation entre la densité en LHS, l ’activité enzymatique et la lipolyse maximale

  37. Périlipine : Rôle critique dans le métabolisme du tissu adipeux et la lipolyse • Non phosphorylée par la protéine-kinase A (PKA): Nécessaire à la rétention des lipides stockés dans la gouttelette lipidique du tissu adipeux. • Non phosphorylée, elle assure la rétention de la protéine CGI-58, régulatrice de l’activité de l’ATGL. • Phosphorylée par la PKA et la PKG: Nécessaire pour mobiliser les réserves lipidiques lors d’une stimulation hormonale de la lipolyse: • Permet l’accessibilité de la gouttelette lipidique à la LHS • Libère la protéine CGI-58 activatrice de l’ATGL.

  38. Effet d’une stimulation des bêta-récepteurs d’adipocytes 3T3-L1 Périlipine LHS Etat basal (non stimulé) Translocation de la LHS Stimulation par isoproterenol 60 minutes après la stimulation

  39. Les signaux lipolytiques et antilipolytiques dans l’adipocyte humain Autres systèmes inhibiteurs: adénosine NPY/PYY, PGI2 Peptides Natriurétiques (ANP & BNP) Noradrénaline et adrénaline Insuline 1, 2 2 récepteurs Réc-Ins NPR-A A C Membrane plasmique Gi Gi P Gs PKB PKB IRS-1 GC PI3Kcat PI3Kreg P PDE3B PDE3B ATP cAMP cGMP PKA PKG 5'AMP P FFA FFA P ATGL LMG LHS glycerol LHS Diacylglycerol Monoacylglycerol Triacylglycerol

  40. LHS catécholamines Peptides natriurétiques b1/2-RA NPR-A a2-RA ADIPOCYTE HUMAIN GC GTP GC AC GMPc Gs Gi ATP PKG AMPc PDE-3B CGI-58 PKA ATGL ? CGI-58 P P P LHS P PERILIPINE P P PERILIPINE Triglycérides Triglycérides P AGNE + glycérol Gouttelette lipidique

  41. Transport intracellulaire des acides gras par FABP-4 Membrane plasmique captage lipolyse Esterification métabolisme signalisation Insulino-résistance FABP4 Gouttelette lipidique LHS FABP4 Appelations: FABP-4 ALBP aP2 P422 p15 FABP4 ATGL D’après Vogel Hertzel A and Bernlohr DA, TEM, 2000, 11:175

  42. Les acides gras sont mobilisés en fonction de la longueur de la chaîne carbonée et du niveau d’insaturation dans l’adipocyte humain Mobilisation des acides gras dans l’adipocyte humain Relations entre le niveau d’insaturation des acides gras et la longueur de la chaîne. Relations entre la longueur de la chaîne et le niveau d’insaturation des acides gras Raclot et al., Biochem J., 1997, 324:911-915

  43. Raclot et al., Biochem J., 1997, 324:911-915

  44. Taux d’apparition du palmitate (Ra) induite par 90 min d’exercice en fonction de la masse grasse. (comparé au repos) chez des sujets maigres et obèses Mittendorfer B. at al., 2004, AJP, 286:E354-E362

  45. Provenance [%] des AGNE systémiques chez l’homme et la femme. (TA jambe, TA splanchnique et TA abdominal non splanchnique) TAV n’est pas la source de la majorité des NEFA systémiques 100 Femmes maigres Hommes maigres Femmes obèses 80 Hommes obèses * * 60 *P<0.05 vs. maigres % de la libération des AGNE 40 * * * 20 * 0 jambe splanchnique dépôts adipeux sc non-splanchnique Nielsen S. et al., JCI, 2004, 113: 1582-1588

  46. Adipocyte humain CGI-58 FABPpm FAT/CD36 FATP-1/-4 TRIGLYCERIDES Synthèse glycérolipides périlipine AG AG ATGL Synthèse? DGAT LHS DG AG AG Albumine LHS MGAT MG AG AG LMG Enzymes estérification Glycérol + AG Lipases FABP-4 AQP7 AG Glycérol

  47. Les acides gras seraient susceptibles de promouvoir l’insulino-résistance via l’activation de récepteurs « Toll-like » tels que TLR4 (importants dans la médiation de la réponse immunitaire innée aux pathogènes bactériens). Insulino-résistance Muscle-tissu adipeux-foie TLR4 Cytokines pro-inflammatoires Adipokines & cytokines pro-inflammatoires Bactéries MACROPHAGES Alimentation et Acides gras saturés dérivés (acide palmitique) Bactéries, LPS Acides gras dérivés des bactéries (acide laurique) Cytokines pro-inflammatoires TLR4 -Insaturés et ac. oléique moins d’effets -Polyinsaturésw3 sans effet D’après Shi H et al. J. Clin. Invest. 2006, 116: 3015-25

  48. Effets spécifiques des acides gras saturés sur la réponse lipolytique induite par les catécholamines dans le tissu adipeux humain. • PROTOCOLE : • Adipocytes isolés incubés pendant deux heures avec des AG saturés • (AGS) ou polyinsaturés  réponse lipolytique avant-après. • Patients non-obèses ingérant ration hyperlipidique enrichie en AGS - • Test de mobilisation des lipides induite par l’exercice - Analyse des • effets alpha2-adrénergiques inhibiteurs avant/après. • - Patients obèses ingérant ration hyperlipidique enrichie en AGS - • Test de mobilisation des lipides induite par l’exercice - Analyse des • effets alpha2-adrénergiques inhibiteurs avant/après. CONCLUSION: Perte de la réponse alpha2-adrénergique in vitro et in vivo. Mécanismes restent à décrypter.

  49. Epinephrine Effect of incubation of human fat cells for 2hours with 200µM saturated and unsaturated LCFA on lipolysis Epinephrine + RX821002 NS 1.0 1.0 Saturated FFA Saturated FFA 2.0 Basal -7 -6 -5 0.5 0.5 Glycerol change log[epinephrine](M) FFA change 1.0 2.0 1.6 0 0 0 1.2 Basal FFA (µmol/100 mg lipid/90 min) -7 -6 -5 0.8 log[epinephrine](M) Glycerol (µmol/100 mg lipid/90 min) 0.4 * * * 0 1.0 Unsaturated FFA Unsaturated FFA * * * FFA change Glycerol change 0.5 2.0 0.4 0.7 1.5 0.3 0.5 1.0 0.2 0.3 0 Basal Basal 0.1 0.1 -7 -6 -5 0.5 -7 -6 -5 log[Epinephrine](M) -0.1 -0.1 log[epinephrine](M) 0

  50. Effect 2 hours incubation of human fat cells without LCFA on in vitro lipolysis. Epinephrine Epinephrine + RX821002 A B 3.0 2.0 NS 1 * 2.5 * 1.5 2.0 FFA (µmol/100 mg lipid/90 min) FFA (µmol/100 mg lipid/90 min) 1.0 1.5 basal Iso ANP FFA change 0.5 1.0 0.5 0.5 0 0 0 Basal -7 -6 -5 log[Epinephrine](M) 0.8 0.4 * A 3.0 B NS 2.5 0 * 2.5 basal Iso ANP 2.0 2.0 Glycerol (µmol/100 mg lipid/90 min) Glycerol (µmol/100 mg lipid/90 min) 1.5 1.5 1.0 1.0 Glycerol change 0.5 0.5 0 0 Basal -7 -6 -5 log[epinephrine](M)

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