AMPK

Régulation de l’expression génique et relation structure-fonction

La séquence et la structure de l’AMPK sont hautement conservées à travers les espèces, des procaryotes aux eucaryotes . Des études génétiques sur des orthologues d’AMPK chez les espèces Arabidosis , Saccharomyces cerevisiae, Dictyostelium , C. elegans , Drosophila  et Physcomitrella ont montré cette homologie tant au niveau structurelle que fonctionnelle. La protéine AMPK est une sérine/thréonine kinase existant sous la forme d’un complexe hétérotrimérique composé d’une sous-unité catalytique alpha ( α) et de deux sous-unités régulatrices beta et gamma (β et Ɣ)  . Chez les mammifères, deux isoformes existent pour les sous-unités a (αl,  α2) codées par les gènes PRKAA1 et PRKAA2 (protein kinase AMP-activated catalytic subunit alpha 1 et 2), 2 isoformes pour la sous-unité β(β1 , β2) codées par les gènes PRKAB 1 et PRKAB2 (prote in kinase AMP-activated non catalytic subunit beta 1 et 2), et trois isoformes pour la sous-unité y (ƔI, Ɣ2 et Ɣ3) codées par les gènes PRKAG 1, PRKAG2 et PRKAG3 (prote in kinase AMP activated non-catalytic subunit gamma 1, 2 et 3) . Leur localisation génétique se situe sur cinq chromosomes différents: PRKAA1 sur le chromosome 5 (5pI2), PRKAA2 et PRKAB2 sur le chromosome 1 (1 q31 et 1 q21.1), PRKAB 1 et PRKAG 1 sur le chromosome 12 (12q24.1 et 12q12-14), PRKAG2 sur le chromosome 7 (7q35-36) et PRKAG3 sur le chromosome 2 (2q35) . AMPK est exprimée de manière ubiquitaire dans toutes les cellules eucaryotes. L’expression génique et l’épissage des isoformes d’AMPK peuvent former 12 complexes αβƔ différents .

La différence d’expression et d’assemblage des différentes isoformes semble indiquer une spécificité dans la régulation métabolique dépendant du tissu , mais également de sa fonction, sa localisation intracellulaire, ses activateurs et ses cibles. Ces variations apportent une complexité supplémentaire pour la compréhension du mode d’action et du rôle physiologique de l’AMPK [57, 59]. Par exemple, α1 est fortement exprimé dans les cellules du rein, des poumons et des tissus adipeux, tandis que l’isoforme α2 est exprimée principalement dans les cellules du cœur et des muscles squelettiques . De même, il a été observé une variation au niveau de la localisation subcellulaire d’ AMPK selon les divers complexes auxquels il est associé dépendamment du type de l’ isoforme activée . L’ isoforme α2 contient une séquence de localisation nucléaire permettant de le déplacer entre les compartiments cytoplasmiques et nucléaires, tandis que l’isoforme al reste localisée dans les régions cytoplasmiques . Par exemple, dans les cellules de type carotidien 1 et les cellules épithéliales des voies respiratoires, l’activation des complexes interagissant avec la sous-unité α1 est localisée dans le cytosol et peut être associée à la membrane plasmique [68, 69]. Dans les cellules bêta du pancréas, des neurones et des muscles squelettiques , l’activation de l’isoforme α2 entraîne une translocation vers le noyau qui supposément facilite la modulation de l’expression génique . De plus, bien que la phosphorylation de divers résidus favorise la translocation nucléaire [74], la myristoylation de la sous-unité β stimule le recrutement des sous-unités α et Ɣ d’AMPK au niveau des membranes intracellulaires par exemple les membranes mitochondriales, de l’ appareil de Golgi ou des lysosomes en réponse au stress énergétique .

Régulation de l’activité de la kinase AMPK 

AMPK est activée physiologiquement lors d’un stress énergétique, c’est-à-dire lorsque le niveau d’ATP est bas dû à l’absence de nutriments, l’exercice physique, l’ischémie ou l’hypoxie. Son activation dépend donc du ratio ATP/AMP et ADP/AMP. L’augmentation du ratio ATP/AMP diminue considérablement l’ activité d’AMPK et inversement la diminution de ce ratio augmente son activité . La régulation de l’activité d’AMPK est complexe et implique différents paramètres en réponse aux variations des concentrations des nucléotides intracellulaires (AMP, ADP et ATP). Cette activité est contrôlée et modulée de façon allostérique en réponse à la liaison des nucléotides AMP, ADP et ATP sur les domaines CBS de la sous-unité Ɣ  . Ces 3 nucléotides sont les nucléotides physiologiques d’AMPK dans certaines conditions de stress cellulaires . En effet, ils se fixent compétitivement sur le même site de fixation formé par les domaines CBS de la sous-unité Ɣ, menant à un changement conformationnel affectant l’activation d’AMPK [9, 86, 92-94]. Ce changement aboutit à une stimulation (AMP, ADP) ou une inhibition (ATP) d’AMPK . Ces liaisons déterminent trois fonctions principales dans la régulation de l’activité catalytique d’AMPK. Elles régulent la modulation du site de phosphorylation de la Thr172, influant ainsi sur la demi-vie du résidu Thr172 phosphorylé (pThr172) et l’augmentation de l’activité d’AMPK [14, 88]. En effet, l’activation d’AMPK nécessite la phosphorylation du résidu Thr172 de sa sous-unité α .