From lipid droplet to intramuscular adipocytes : towards a causal link with insulin resistance
De la gouttelette lipidique aux adipocytes intramusculaires : vers un lien causal avec l'insulino-résistance ?
Résumé
My PhD research work was focused on the role of muscle lipids in the regulation of energy metabolism and insulin sensitivity. Lipids can be found under two different forms in skeletal muscle: adipocytes located between muscle fibers/bundles and lipid droplets inside muscle fibers (i.e. intramyocellular triacylglycerols or IMTG). These depots, when present in excess, have both been associated with insulin-resistance in humans, mainly because of intracellular lipotoxic lipid accumulation known to impair insulin signaling for IMTG, and through a yet unknown mechanism for adipocytes. First, we isolated and characterized two distinct populations of progenitor cells from human muscle biopsies. The first population is composed of satellite cells (muscle progenitor cells) and display a myogenic differentiation potential in vitro. The second population is composed of cells that acquire the phenotypic and metabolic properties of functional white adipocytes, called fibro/adipogenic progenitors (FAPs). By using these cell models, we showed that FAPs-derived adipocytes secretions are able to impair insulin signaling and action in human skeletal muscle fibers in vitro. This paracrine effect could explain, at least partly, the inverse relationship observed between intramuscular adipocyte content and insulin sensitivity in humans. Secondly, we studied the role of two proteins, G0/G1 Switch Gene 2 (G0S2) and perilipin 5 (PLIN5), in lipid droplets dynamics as well as their impact on lipid metabolism and insulin sensitivity. We showed in vitro that these two proteins play a key role in the control of muscle lipolysis (i.e. IMTG hydrolysis) via the adipose triglyceride lipase (ATGL, catalyzing the limiting step of muscle lipolysis), and that G0S2 and PLIN5 inhibit ATGL activity through direct and indirect mechanisms, respectively. Furthermore, our data showed that G0S2 and PLIN5 invalidation in vivo in mouse skeletal muscle activates lipolysis, increases lipotoxicity and impairs insulin sensitivity. We have also highlighted an important role for PLIN5 in the regulation of fatty acids oxidation, by finely adjusting their availability to energy demand. Overall, these results clearly show on one hand that a crosstalk between adipocytes and fibers within skeletal muscle can lead to an alteration of insulin sensitivity in humans, and on the other hand that G0S2 and PLIN5, two lipid droplet proteins, play a central role in the control of muscle lipid homeostasis and insulin sensitivity. These data help to develop our current understanding of the link between muscle lipids and insulin sensitivity in humans.
Mon travail de thèse a été axé sur l'étude du rôle des lipides musculaires dans la régulation du métabolisme énergétique et la sensibilité à l'insuline. Les lipides sont présents sous deux formes au sein du muscle squelettique : soit sous forme d'adipocytes insérés entre les fibres/faisceaux musculaires, soit sous forme de gouttelettes lipidiques à l'intérieur des fibres musculaires (i.e. triglycérides intramyocellulaires ou IMTG). Ces deux dépôts de lipides, lorsqu'ils sont présents en excès, sont associés à la mise en place de l'insulino-résistance musculaire chez l'homme, via l'accumulation intracellulaire d'espèces lipidiques lipotoxiques altérant la signalisation insulinique pour les IMTG, et par un mécanisme inconnu pour les adipocytes. Dans un premier temps, nous avons isolé et mieux caractérisé, à partir de biopsies musculaires humaines, deux populations de cellules progénitrices. La première population présente un potentiel de différenciation myogénique en culture, il s'agit des cellules satellites (cellules progénitrices musculaires). La deuxième population est composée de cellules capables d'acquérir les propriétés phénotypiques et métaboliques d'adipocytes blancs matures, il s'agit des progéniteurs fibro/adipocytaires (FAPs). Grace à ces modèles d'étude, nous avons mis en évidence que les sécrétions des adipocytes dérivés des FAPs sont capables d'altérer la voie de signalisation et les effets de l'insuline sur des fibres musculaires humaines in vitro. Cet effet paracrine pourrait en partie expliquer la corrélation négative observée entre le contenu en adipocytes intramusculaires et la sensibilité à l'insuline chez l'homme. Dans un second temps, nous avons étudié le rôle de deux protéines, G0/G1 Switch Gene 2 (G0S2) et la périlipine 5 (PLIN5), dans la dynamique des gouttelettes lipidiques ainsi que leur impact sur le métabolisme des lipides et la sensibilité à l'insuline. Nous avons montré in vitro que ces deux protéines jouent un rôle clé dans le contrôle de la lipolyse musculaire (i.e. hydrolyse des IMTG) via l'adipose triglyceride lipase (ATGL, enzyme limitante de la lipolyse musculaire), et que G0S2 et PLIN5 inhibent l'activité de l'ATGL par des mécanismes directs et indirects, respectivement. Par ailleurs, nos données ont montré que l'invalidation de G0S2 et PLIN5 dans le muscle squelettique active la lipolyse, augmente la lipotoxicité et diminue la sensibilité à l'insuline in vivo chez la souris. Nous avons également démontré un rôle important de PLIN5 dans la régulation de l'oxydation des acides gras en ajustant finement leur disponibilité aux besoins énergétiques des cellules. En résumé, ces travaux démontrent d'une part qu'une communication entre adipocytes et fibres au sein du muscle peut entraîner une altération de la sensibilité à l'insuline musculaire chez l'homme, et d'autre part que G0S2 et PLIN5, deux protéines de la gouttelette lipidique, sont au centre du contrôle de l'homéostasie lipidique et du maintien de l'insulino-sensibilité musculaire. Ces données permettent ainsi d'élargir les connaissances existantes sur le lien entre les lipides musculaires et la sensibilité à l'insuline chez l'homme.
Domaines
Immunologie
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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