Regulation of Autophagy by Acetyl Coenzime A : From the Mechanisms to a Revised Definition of Caloric Restriction Mimetics

par Federico Pietrocola

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Guido Kroemer.

Le président du jury était Pascal Ferré.

Le jury était composé de Guido Kroemer, Pascal Ferré, Patricia Boya, Jose Manuel Fuentes Rodriguez, Laurence Zitvogel, Chiara Maiuri.

Les rapporteurs étaient Pascal Ferré, Patricia Boya.

  • Titre traduit

    Régulation de l’autophagie par l’Acétyl Coenzyme A : des mécanismes à une nouvelle définition des mimétiques de la restriction calorique


  • Résumé

    L’autophagie est un processus d’autodigestion dans lequel la cellule dégrade ses propres composants dans le but de maintenir l’homéostasie dans ses conditions basales. En absence de nutriments, l’autophagie est activée et favorise la survie cellulaire en fournissant des substrats énergétiques résistant aux conditions de stress. Autophagie et métabolisme communiquent à différents niveaux; une baisse en métabolites richement énergétiques, tels qu’en ATP et en NADH, est détectée par des senseurs cellulaires (AMPK et SIRT1 respectivement) et mène à l’activation de l’autophagie. Ici, nous définissons un niveau supplémentaire de régulation de l’autophagie induite par le jeûne. Dans ce travail, nous montrons que cette privation en nutriments est caractérisée par une diminution rapide de l’Acétyl CoA, intégrateur majeur de l’état nutritionnel au carrefour du catabolisme des graisses, des sucres et des protéines. La baisse en AcCoA s’accompagne de la réduction proportionnelle des niveaux généraux d’acétylation des protéines ainsi que par l’induction de l’autophagie. Les manipulations destinées à augmenter ou diminuer les niveaux cytosoliques d’AcCoA, ciblant soit la synthèse mitochondriale soit son transport dans le cytoplasme, résultent en la suppression ou l’induction de l’autophagie aussi bien dans les cultures cellulaires que dans les tissus de souris. La déplétion en AcCoA impacte directement l’activité des KATs utilisant l’AcCoA comme substrat pour l’acétylation protéique. Nous avont montré que cette baisse en AcCoA réduit spécifiquement l’activité de EP300; cette KAT est en effet nécessaire à la suppression de l’autophagie à des niveaux élevés d’AcCoA, se comportant ainsi comme le senseur des niveaux cytosoliques d’AcCoA. A son tour, EP300 contrôle l’autophagie en inhibant les protéines autophagiques clés. Dans l’ensemble, nos résultats illustrent les fonctions de l’AcCoA cytosolique comme régulateur métabolique central de l’autophagie, délimitant ainsi des stratégies pharmacologiques centrées sur l’AcCoA qui permettent la manipulation thérapeutique de l’autophagie. En effet, la privation en nutriments et la restriction calorique sont connues pour jouer un rôle positif sur la santé et la longévité en promouvant leurs effets. Néanmoins, les stratégies basées sur la restriction calorique sont difficilement applicables en clinique. Ici, nous proposons une nouvelle définition biochimique des Mimétiques de la Restriction Calorique, composés imitant l’effet positif du jeûne. Dans notre contexte, un MRC est un composé capable de réduire l’acétylation protéique par des mécanismes distincts mais convergents: premièrement, par diminution des niveaux d’AcCoA, deuxièmement par inhibition directe des KATs, et enfin, par activation des protéines déacétylases. Ces résultats de l’exécution d’un programme cellulaire conduisent finalement à des effets pro-santé liés à la restriction calorique incluant mais non limités à l’autophagie.


  • Résumé

    Autophagy is a self-digestion process in which cell degrades its own components in order to maintain homeostasis in basal conditions. In absence of nutrients, autophagy is activated and promotes cell survival by providing energetic substrates to sustain stressful condition. Autophagy and metabolism crosstalk at different levels; a drop in energy-rich metabolites, such as ATP and NADH, is detected by cellular sensors (AMPK and SIRT1 respectively) and leads to autophagy activation. Here, we define a further regulatory level of starvation-induced autophagy. In this work, we show that nutrient deprivation is characterized by a rapid depletion of Acetyl CoA, a major integrator of the nutritional status at the crossroads of fat, sugar, and protein catabolism.Decrease in AcCoA is accompanied by the commensurate reduction in overall protein acetylation levels as well as by autophagy induction. Manipulations designed to increase or reduce cytosolic levels of AcCoA, either targeting mitochondrial synthesis or its transport in the cytoplasm, resulted in the suppression or induction of autophagy both in cultured cells and in mice tissues. Depletion of AcCoA directly impacts on the activity of cellular KATs, which use AcCoA as substrate for acetylating proteins. We showed that a drop in AcCoA specifically reduces the activity of EP300; this KAT was indeed required for the suppression of autophagy by high AcCoA levels, thus behaving as the sensor of cytosolic AcCoA levels. In turn, EP300 controls autophagy by inhibiting key autophagic proteins. Altogether, our results indicate that cytosolic AcCoA functions as a central metabolic regulator of autophagy, thus delineating AcCoA-centered pharmacological strategies that allow for the therapeutic manipulation of autophagy. Indeed, nutrient deprivation and caloric restriction are known to play pro-healthy and longevity promoting effects. Nonetheless, CR-based strategies are hardly suitable in clinical settings. Here, we propose a new biochemical definition of Caloric Restriction Mimetics, compounds that mimic the positive effects of nutrient starvation. In our setting, a CRM is a compound able to reduce protein acetylation through distinct but convergent mechanisms: first, by decreasing AcCoA levels, second by directly inhibiting KATs, third by the activation of protein deacetylases. This results in the execution of a cellular program ultimately leading to CR-related pro-healthy effects, including but not limited to autophagy.


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