Notre équipe étudie les stratégies d’adaptation des cellules à des stress nutritionnels, tels que des carences ou une inhibition du métabolisme. Nos travaux ont contribué à comprendre les mécanismes gouvernant l’endocytose de transporteurs par la présence ou l’absence de glucose. Ceci implique des protéines de la famille des arrestines, elles-mêmes régulées par des voies de signalisation en réponse à des changements nutritionnels. Plus récemment, nous avons initié une nouvelle thématique en étudiant les conséquences cellulaires d’un inhibiteur métabolique, le 2-désoxyglucose, et cherchons à comprendre les mécanismes de résistance à cette drogue.

1/ Régulation de l’endocytose par le statut nutritionnel de l’environnement

L’endocytose est un mécanisme cellulaire fondamental qui régule la présence et l’abondance de protéines (récepteurs, transporteurs) à la membrane plasmique.
L’endocytose de récepteurs est généralement induite par la présence du ligand correspondant (hormone, facteur de croissance) dans le milieu extracellulaire et contribue à limiter l’exposition des cellules au signal. Des défauts d’endocytose peuvent conduire à une signalisation aberrante et être à l’origine de pathologies dont certains cancers.

L’endocytose régule aussi la présence de transporteurs à la membrane plasmique en fonction de la composition nutritionnelle du milieu et de ses changements éventuels. Elle est donc une composante importante de l’adaptation des cellules à leur environnement.

L’endocytose de transporteurs est généralement déclenchée par leur ubiquitylation, qui agit comme un signal moléculaire.
Chez la levure, l’ubiquitylation des transporteurs est réalisée par Rsp5, une ubiquitine ligase de la famille Nedd4 qui comporte 9 membres chez l’homme. Cette étape fait aussi intervenir des protéines adaptatrices appelées ARTs (Arrestin-Related Trafficking adaptors). Chez l’homme, les protéines de type ARTs (appelées ARRDC) semblent fonctionner de façon similaire, et agissent comme suppresseurs de tumeurs.

Notre objectif est de comprendre comment les signaux extracellulaires contrôlent la fonction des arrestines, et par conséquent l’ubiquitylation des transporteurs et leur endocytose au cours de l’adaptation des cellules au milieu.

Notre organisme d’étude actuel est la levure Saccharomyces cerevisiae, qui a grandement contribué à la compréhension de mécanismes cellulaires conservés, dont l’endocytose.
Ce projet se situe dans le contexte de l’adaptation des cellules à la présence ou l’absence de glucose dans le milieu environnant. En effet, des changements de concentration de glucose du milieu conduisent à des modifications profondes de la composition en transporteurs de la membrane plasmique.  Par exemple, une carence en glucose déclenche l’endocytose de la plupart des transporteurs de glucose (ex. Hxt3, Figure 1). A l’inverse, l’ajout de glucose à des cellules cultivées en présence de sources alternatives de carbone conduit à l’endocytose des transporteurs correspondants (ex. Jen1, Figure 1 et Film 1), afin de garantir que le glucose est la source de carbone dont l’utilisation sera privilégiée.

Figure 1. Le retrait de glucose ou son ajout dans le milieu de culture déclenchent l’endocytose de certains transporteurs. © Sébastien LEON, CNRS/IJM

Film 1. Endocytose du transporteur de lactate, Jen1, en réponse au glucose. Des levures sont perfusées en milieu lactate (10’) puis glucose (45’), grâce à un dispositif de microfluidique,
et observées séquentiellement (Plateforme d’imagerie ImagoSeine, IJM). Jen1-GFP quitte la membrane plasmique quelques minutes après l’ajout de glucose, pour atteindre les endosomes puis le compartiment lytique (lysosome, appelé vacuole chez la levure)
(ImagoSeine imaging facility, IJM). © Sébastien LEON, CNRS/IJM

Notre équipe a élucidé certains des mécanismes moléculaires impliqués dans ces régulations. En particulier, nous avons découvert que des voies de signalisation nutritionnelle régulent les modifications post-traductionnelles portées par les ARTs, ainsi que leur activité dans l’endocytose. La régulation des ARTs par la disponibilité en nutriments du milieu permet d’expliquer pourquoi l’endocytose des transporteurs est déclenchée uniquement dans certaines conditions physiologiques.

Nos travaux se sont récemment étendus aux effets d’un inhibiteur métabolique, le 2-désoxyglucose, sur l’endocytose.

2/ Toxicité d’un inhibiteur métabolique, le 2-deoxyglucose, et mécanismes de résistance associés

Le 2-désoxyglucose (2DG) est un analogue du glucose qui inhibe la croissance cellulaire en interférant avec l’utilisation du glucose dans de nombreux processus cellulaires, notamment la glycolyse et la N-glycosylation des protéines. Le 2DG a été considéré pour le traitement de tumeurs, suite aux observations que la majorité des cellules cancéreuses ont une consommation accrue de glucose. Un dérivé analogue du glucose, le 2-fluoro-2-désoxy-glucose, est d’ailleurs utilisé pour détecter certaines tumeurs (PET-scans).

Cependant, certaines cellules sont capables de contourner la toxicité du 2DG. Nous recherchons les mécanismes de résistance à cet inhibiteur grâce à des cribles génétiques chez la levure, basé sur la caractérisation de mutants devenus spontanément résistants au 2DG puis séquençage de leur génome. Nos travaux ont mis en avant que le 2DG déclenche l’activation de plusieurs voies de signalisation et l’induction d’enzymes détoxiquant un métabolite dérivé du 2DG. Une enzyme similaire a été identifiée chez l’homme.

D’autres stratégies de résistance sont actuellement à l’étude.

Cliquer ici pour consulter un résumé de nos résultats récents.

Pour contacter un membre de l’équipe par mail : prenom.nom@ijm.fr

Kahlhofer J, Leon S, Teis D, Schmidt O. The alpha-arrestin family of ubiquitin ligase adaptors links metabolism with selective endocytosis. Biology of the cell. 2021;113(4):183-219. Epub 2020/12/15. doi: 10.1111/boc.202000137. PubMed PMID: 33314196.

Publications 

Revues

• Alexandre SOULARD, Université Lyon I
• France Gwenaël RABUT, IGDR Rennes
• France Florian FROEHLICH, Univ. Osnabrück, Allemagne
• David TEIS, BioZentrum Innsbruck, Autriche
• Helle ULRICH, IMB Mainz, Allemagne

Nos travaux ont été financés par l’Agence Nationale pour la Recherche (ANR), la Fondation ARC pour la Recherche sur le Cancer, la Ligue contre le Cancer (Comité de Paris), la Fondation pour la Recherche Médicale (FRM), l’Université de Paris (IDEX), et le CNRS.