# Régulation de l'expression génique par les acides aminés

Yves Mercier, Sophie Tesseraud

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Yves Mercier, Sophie Tesseraud. Régulation de l'expression génique par les acides aminés. Jeudis de la WPSA, Mar 2014, Rennes, France., 26 diapos., 2014. hal-01604463

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# Régulation de l'expression génique par les acides aminés

Y. MERCIER & S. TESSERAUD

Jeudis de la WPSA

27 Mars 2014, Agrocampus Rennes

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Rhodimet®

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Rovabio®

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Microvit®

Smartamine®
MetaSmart®

ADISSEO
A Bluestar Company

Adding Difference
# Action des A.A. sur l'expression génique à tous les niveaux

## Généralités sur les mécanismes de régulation par les acides aminés

- Voie de signalisation cellulaire GCN2

- Voie de signalisation cellulaire mTOR

## Exemples de régulation de l'expression génique

### Tractus digestif : absorption/conversion

- Régulation de l'expression des transporteurs d'acides aminés

- Régulation de l'expression des enzymes de conversion de la D-Met, D- et L-HMTBA

### Muscles : turnover protéique/croissance

- Régulation du turnover protéique en fonction des apports en acides aminés

- Régulations multiples du métabolisme global en faveur de la croissance musculaire

### Répartition de l'énergie

- Effet de l'Arginine sur le dépôt de tissus adipeux

## Conclusions
# Du gène à la protéine active: un long chemin !

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# Signalisation cellulaire et acides aminés

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## Exemple de l'induction de la synthèse de transporteur MCT1 par l'incubation des cellules avec le HMTBA

Martin-Venegas et al. unpublished data

Induction

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Expression

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Synthèse

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Effet

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Contrôle
ou
HMTBA
(2 mM)

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incubation

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ARNm

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Transporteur

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Vmax
# Voies de signalisation impliquées ? ex. de la voie GCN2

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ARNt non chargé

Exemple de la carence
en Leucine et de l'induction d'une
aversion alimentaire

## Gènes cibles (transcription)
CHOP, AS...
Ex: Leu ou Met

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## Protéolyse

**Atrogènes**

**E3 Ub ligases**

Ub-proteasome
dependent system

(Tesseraud, 2010)
# Action des A.A. sur l'expression génique à tous les niveaux

## Généralités sur les mécanismes de régulation par les acides aminés

- Voie de signalisation cellulaire GCN2

- Voie de signalisation cellulaire mTOR

## Exemples de régulation de l'expression génique

### Tractus digestif : absorption/conversion

- Régulation de l'expression des transporteurs d'acides aminés

- Régulation de l'expression des enzymes de conversion de la D-Met, D- et L-HMTBA

### Muscles : turnover protéique/croissance

- Régulation du turnover protéique en fonction des apports en acides aminés

- Régulations multiples du métabolisme global en faveur de la croissance musculaire

### Répartition de l'énergie

- Effet de l'Arginine sur le dépôt de tissus adipeux

## Conclusions
# Effet de Leu et Ile sur les transporteurs d'AA $b^{0,+}$ et CAT-1

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Les niveaux élevés de Leu et Ile dans l'aliment entraînent une répression de l'expression du transporteur $b^{0,+}$ transporteur des acide aminés cationiques.

Cette répression de l'expression de $b^{0,+}$ est partiellement compensée par la surexpression de CAT-1.

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Cervantes-Ramírez et al. 2013
La modulation par la Leu de b⁰,⁺ et CAT1 impacte les autres AA

La répression de b⁰,⁺ par la Leu entraîne également une baisse de l'absorption d'autres acides aminés tels que l'Ile et la lys témoignant que la surexpression de CAT-1 ne permet pas de se substituer à b⁰,⁺

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Acides aminés circulants
# Effet de la forme d'apport sur l'expression des transporteurs d'AA

- L'impact des acides aminés sur la régulation de l'expression des transporteurs intestinaux est elle influencée par la souche ?

## 2 lignées X 3 aliments* sur la période 9-15 jours

<table><thead><tr><th>Item</th><th>Villus height</th><th>Villus width</th><th>Crypt depth</th><th>VCR</th></tr></thead><tbody><tr><td>Line (n = 5)</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A</td><td>0.965</td><td>0.135</td><td>0.160</td><td>6.07</td></tr><tr><td>B</td><td>0.925</td><td>0.140</td><td>0.150</td><td>6.26</td></tr><tr><td>SEM</td><td>0.020</td><td>0.005</td><td>0.005</td><td>0.16</td></tr><tr><td>P-value</td><td>0.15</td><td>0.30</td><td>0.08</td><td>0.42</td></tr><tr><td>Diet<sup>2</sup> (n = 10)</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>WPC</td><td>0.925</td><td>0.135<sup>ab</sup></td><td>0.145</td><td>6.31<sup>ab</sup></td></tr><tr><td>WPH</td><td>0.990</td><td>0.150<sup>a</sup></td><td>0.155</td><td>6.48<sup>a</sup></td></tr><tr><td>AA</td><td>0.920</td><td>0.130<sup>b</sup></td><td>0.160</td><td>5.71<sup>b</sup></td></tr><tr><td>SEM</td><td>0.025</td><td>0.005</td><td>0.005</td><td>0.20</td></tr><tr><td>P-value</td><td>0.06</td><td>0.02</td><td>0.18</td><td>0.02</td></tr><tr><td>Segment (n = 10)</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Duodenum</td><td>1.28<sup>x</sup></td><td>0.150<sup>x</sup></td><td>0.185<sup>x</sup></td><td>7.04<sup>x</sup></td></tr><tr><td>Jejunum</td><td>0.90<sup>y</sup></td><td>0.140<sup>xy</sup></td><td>0.150<sup>y</sup></td><td>6.09<sup>y</sup></td></tr><tr><td>Ileum</td><td>0.66<sup>z</sup></td><td>0.130<sup>y</sup></td><td>0.130<sup>z</sup></td><td>5.36<sup>z</sup></td></tr><tr><td>SEM</td><td>0.025</td><td>0.005</td><td>0.005</td><td>0.20</td></tr><tr><td>P-value</td><td>0.0001</td><td>0.02</td><td>0.0001</td><td>0.0001</td></tr><tr><td>Interaction<sup>3</sup></td><td></td><td></td><td>P-value</td><td></td></tr><tr><td>L × D</td><td>0.04</td><td>0.92</td><td>0.04</td><td>0.0002</td></tr><tr><td>D × S</td><td>0.50</td><td>0.76</td><td>0.87</td><td>0.26</td></tr></tbody></table>

la source d'acides aminés à profil constant influence le développement intestinal

<footnote>*WPC = Whey Prot Conc ; WPH= Whey Prot Hydrolysate ; AA= AA mixture</footnote>
# Expression des transporteurs d'AA = f(souche + aliment)

WPH entraîne globalement une surexpression des transporteurs dans la lignée B (e.g. PepT1) et une stimulation du fonctionnement des entérocytes (b-actin)

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<figure><img src="image_27.png" /></figure>
# Stimulation des enzymes de conversion par précurseurs d'AA

La D-Met, le D- et L-HMTBA nécessitent une conversion avant de donner la L-Met dans l'organisme

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# Action des A.A. sur l'expression génique à tous les niveaux

## Généralités sur les mécanismes de régulation par les acides aminés

- Voie de signalisation cellulaire GCN2

- Voie de signalisation cellulaire mTOR

## Exemples de régulation de l'expression génique

### Tractus digestif : absorption/conversion

- Régulation de l'expression des transporteurs d'acides aminés

- Régulation de l'expression des enzymes de conversion de la D-Met, D- et L-HMTBA

### Muscles : turnover protéique/croissance

- Régulation du turnover protéique en fonction des apports en acides aminés

- Régulations multiples du métabolisme global en faveur de la croissance musculaire

### Répartition de l'énergie

- Effet de l'Arginine sur le dépôt de tissus adipeux

## Conclusions
# Effet de la Methionine sur la synthèse protéique

Met = Leu ?

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QM7

Myoblastes

Déplétion 2 h

Stimulation 1 h

Disponibilité en Met

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Disponibilité en Leu

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Concomitant avec une synthèse protéique réduite (incorporation de ¹⁴C Phe)

(Metayer-Coustard et al., 2010)
# Effet de la Méthionine sur la protéolyse

## QT6 Fibroblastes

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>ARNm Atrogin-1 / 18S (u.a.)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

## Mécanisme potentiel

<figure><img src="image_35.png" /></figure>
# Conséquences pratique chez le poulet d'une carence

Une déficience de 20% en M+C de la ration affecte significativement les performances de croissance et...

<table><thead><tr><th></th><th>DLM -</th><th>DLM +</th><th>HMTBA-</th><th>HMTBA+</th><th>SEM</th><th>P - value</th></tr></thead><tbody><tr><td>27 days old live weight (g)</td><td>1034 a↓</td><td>1116 b</td><td>1032 a↓</td><td>1109 b</td><td>56</td><td>&lt;0.001</td></tr><tr><td>6-27 day FCR (g/g)</td><td>1.6 a↑</td><td>1.51 b</td><td>1.62 b↑</td><td>1.51 b</td><td>0.1</td><td>0.01</td></tr><tr><td>Pectoralis major yield (%)</td><td>13 a↓</td><td>14.8 b</td><td>12.4 a↓</td><td>14.4 b</td><td>0.2</td><td>&lt;0.001</td></tr></tbody></table>

Cet impact sur la croissance peut être relié à la modulation de la protéosynthèse et protéolyse

<table><thead><tr><th rowspan="2">Pectoralis major muscle</th><th colspan="5">Treatments</th><th colspan="4">P - Values</th></tr><tr><th>DLM -</th><th>DLM +</th><th>HMTBA-</th><th>HMTBA+</th><th>RSD</th><th>Met Level</th><th>Source</th><th>L x S</th></tr></thead><tbody><tr><td>Absolute Protein Synthesis (g/d)</td><td>2.66 a↓</td><td>3.08 b</td><td>2.75 a↓</td><td>3.07 b</td><td>0.51</td><td>0.03</td><td>0.82</td><td>0.77</td></tr><tr><td>Ubiquitine Proteasome activity</td><td>13.2 a↑</td><td>10.2 b</td><td>13.2 a↑</td><td>10.8 b</td><td>1.4</td><td>0.01</td><td>0.63</td><td>0.75</td></tr><tr><td>Protein turn over rate (%/d)</td><td>21.9</td><td>19.9</td><td>22</td><td>20.4</td><td>3.7</td><td>0.14</td><td>0.8</td><td>0.87</td></tr></tbody></table>

Condé-Aguillera et al., *unpublished*
# Effet plus large de la Met via la régulation de l'expression d'un très grand nombre d'acteurs

L'augmentation du niveau de méthionine de 0.41 à 0.51 sur la période 21-42 entraîne un gain sur le filet sans amélioration de la croissance de l'animal

21-42 j
GMQ (g)

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

Niveau méthionine Alt

P=0.17

Poids du filet (g)

P=0.002

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

Niveau méthionine Alt

+10%

Zhei et al., 2012
# Les différences d'expression protéique observées sont reliées à différents métabolismes dans le muscle

LM vs HM

LM: 5,016

HM: 4,296

1 468 protéines exprimées différemment en fonction des conditions

593

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

875

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<figure><img src="image_40.png" /></figure>

© 2000-2011 Ingenuity Systems, Inc. All rights reserved.

4 métabolismes principalement identifiés en relation avec le muscle: cycle de Krebs, signalisation du Calcium, signalisation des fibres d'actine, endocytose à clathrine.
# Principalement sous expression des protéines (en vert)

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Actin cytoskeleton signaling</figcaption></figure>

<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>Calcium signaling</figcaption></figure>

<figure><img src="image_43.png" /></figure>
<figure><img src="image_44.png" /></figure>

## Mécanisme :

La surexpression des systèmes d'endocytose du muscle entraîne un apport accru de nutriments au niveau du muscle et améliore la croissance
# Action des A.A. sur l'expression génique à tous les niveaux

## Généralités sur les mécanismes de régulation par les acides aminés

- Voie de signalisation cellulaire GCN2

- Voie de signalisation cellulaire mTOR

## Exemples de régulation de l'expression génique

### Tractus digestif : absorption/conversion

- Régulation de l'expression des transporteurs d'acides aminés

- Régulation de l'expression des enzymes de conversion de la D-Met, D- et L-HMTBA

### Muscles : turnover protéique/croissance

- Régulation du turnover protéique en fonction des apports en acides aminés

- Régulations multiples du métabolisme global en faveur de la croissance du musculaire

### Répartition de l'énergie

- Effet de l'Arginine sur le dépôt de tissus adipeux.

## Conclusions
# L'arginine comme modulateur du dépôt adipeux

* L'effet de l'arginine sur la diminution du tissu adipeux chez les personnes obèses est toujours largement étudié chez l'homme (McKnight et al. 2010)

* L'effet de l'arginine sur la réduction de la masse adipeuse chez les porcs par la modulation du métabolisme arginine-NO et la répartition de l'énergie a été rapporté par Tan et al., 2009

* Qu'en est-il chez le poulet ?
# Effet du niveau alimentaire d'arginine sur le dépôt adipeux

Un effet significatif de l'apport d'arginine sur la baisse du tissu adipeux abdominal chez le poulet à 42 jours

<table><thead><tr><th></th><th>Témoin</th><th>+ Arg 0.25%</th><th>+ Arg 0.5%</th><th>+ Arg 1%</th></tr><tr><th></th><th>Arg/Lys 1.12</th><th>Arg/Lys 1.34</th><th>Arg/Lys 1.58</th><th>Arg/Lys 2</th></tr></thead><tbody><tr><th>Poids J42 (Kg)</th><td>2.646</td><td>2.651</td><td>2.655</td><td>2.657</td></tr><tr><th>Ingéré (g/j)</th><td>1.94</td><td>1.91</td><td>1.92</td><td>1.93</td></tr><tr><th>Gras abdo (%)</th><td>1.98 a</td><td>1.57 b</td><td>1.71 ab</td><td>1.46 b</td></tr><tr><th>Gras musculaire (%)</th><td>5.7</td><td>6</td><td>5.83</td><td>5.86</td></tr></tbody></table>

Un effet d'abaissement linéaire du Cholestérol total, cholestérol LDL et triglycérides circulants

<table><thead><tr><th></th><th>Témoin</th><th>+ Arg 0.25%</th><th>+ Arg 0.5%</th><th>+ Arg 1%</th></tr><tr><th></th><th>Arg/Lys 1.12</th><th>Arg/Lys 1.34</th><th>Arg/Lys 1.58</th><th>Arg/Lys 2</th></tr></thead><tbody><tr><th>TC (mmol/l)</th><td>3.63 a</td><td>3.41 b</td><td>3.35 b</td><td>3.26 b</td></tr><tr><th>HDL (mmol/l)</th><td>2.48</td><td>2.41</td><td>2.43</td><td>2.39</td></tr><tr><th>LDL (mmol/l)</th><td>1 a</td><td>0.88 ab</td><td>0.79 ab</td><td>0.75 b</td></tr><tr><th>TG (mmol/l)</th><td>0.72 a</td><td>0.63 bc</td><td>0.66 ab</td><td>0.58 c</td></tr><tr><th>NEFA (µmol/l)</th><td>657.8 b</td><td>726.4 ab</td><td>692 ab</td><td>773.8 a</td></tr></tbody></table>

Fouad et al. 2013
# Répression de la synthèse AG et stimulation de la β-oxydation

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Répression de la synthèse de cholestérol (HMGR) et des AG (FAS) dans le foie dès la première dose supplémentaire d'Arg.

Surexpression des gènes liés à la β-oxydation des lipides comme Carnitine palmitoyl tranferas 1 (CPT1) et 3-Hydroxyacyl-CoA dehydrogénase (3HADH)

<figure><img src="image_46.png" /></figure>
Conclusions

■ Les AA apparaissent comme des modulateurs de l'expression génique via des voies de signalisation et de régulation complexes.

- Ces modulations de l'expression génique sont le plus souvent étudiées dans des états de carence et/ou d'apports supra-nutritionnels.

* Les modulations d'apports en AA dans une gamme d'utilisation pratique entraînent également ces régulations avec des impacts significatifs sur les performances et/ou la croissance musculaire spécifique.

- Les futures études sur les besoins en AA doivent intégrer ces aspects de modulation de l'expression génique et tenir compte d'aspects spécifiques comme la croissance du filet, le dépôt adipeux chez l'animal ainsi que l'impact potentiel sur l'absorption d'AA essentiels ou non essentiels (et donc sur leur utilisation par l'animal).