Vignette (Photo ©Inserm-Annicotte, Jean-Sébastien).

Une épidémie mondiale d’obésité et de diabète se propage chez l’homme depuis plusieurs décennies. Selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS), 422 millions de personnes étaient atteintes de diabète en 2014, contre 108 millions en 1980. Selon les estimations, en 2045, le nombre de diabétiques devrait atteindre au moins 629 millions [1] (→).

(→) Voir le Faits et chiffres de C. Franc, m/s n° 8-9, août-septembre 2013, page 711

Le diabète est une maladie caractérisée par une hyperglycémie chronique. Après plusieurs années de diabète non équilibré, des complications altérant la qualité de vie des patients apparaissent et peuvent entraîner une mort prématurée. Ces complications sont classées en deux groupes : des complications microvasculaires, telles que la rétinopathie, la neuropathie et la néphropathie ; et des complications macro-vasculaires, telles que l’accident vasculaire cérébral, l’infarctus du myocarde ou l’artérite des membres inférieurs [2].

Il existe deux principaux types de diabète. Le diabète de type 1 (DT1), qui représente 10 % des cas de diabète, résulte d’un déficit total en insuline (insulinopénie) consécutif à la destruction auto-immune des cellules productrices d’insuline, les cellules β pancréatiques. Le diabète de type 2 (DT2), le diabète le plus courant (90 % des cas de diabète), se caractérise par deux dysfonctionnements cellulaires majeurs : une résistance à l’insuline d’organes périphériques, tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles squelettiques, et un défaut de sécrétion de l’insuline plus ou moins marqué. La résistance à l’insuline entraîne une incapacité des tissus sensibles à l’insuline à répondre au signal de l’hormone. Le DT2 est associé à de nombreux gènes de susceptibilité dont l’expression dépend de facteurs environnementaux, tels que le niveau d’activité physique ou les régimes hyper-glucidiques et riches en graisse [3]. Dès que la résistance à l’insuline apparaît, le pancréas augmente physiologiquement sa production de l’hormone pour maintenir une glycémie normale. Une hyperglycémie s’observe lorsque la fonction de sécrétion d’insuline du pancréas devient insuffisante pour contrebalancer l’augmentation de la résistance à l’insuline des tissus périphériques. Ce dysfonctionnement de sécrétion d’insuline est lié à des facteurs génétiques / épigénétiques et environnementaux [4].

Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer à la fois la résistance à l’insuline tissulaire et les défauts de sécrétion d’insuline observés dans le DT2. Parmi ceux-ci, la lipotoxicité, la glucotoxicité, l’inflammation systémique de bas grade, le stress oxydatif et le stress du réticulum endoplasmique [5,6] correspondent à différents mécanismes cellulaires qui peuvent converger vers une voie commune induisant une résistance à l’insuline.

Dans cette revue, nous nous concentrerons sur le rôle de la toxicité lipidique cellulaire, c’est-à-dire la lipotoxicité, et sur le développement de l’insulino-résistance tissulaire.

Comme le muscle squelettique représente 40 % de la masse corporelle humaine, et qu’il est quantitativement le tissu le plus important pour la capture du glucose en réponse à l’insuline, il est considéré comme la principale cible cellulaire dans le développement de la résistance à l’insuline. La plupart des études portant sur les mécanismes de résistance à l’insuline induite par lipotoxicité ont donc été réalisées principalement dans les tissus musculaires.

En 1963, Randle et ses collaborateurs ont postulé qu’une compétition entre le glucose et les acides gras, pour leur oxydation et leur absorption, était responsable de l’apparition d’une résistance à l’insuline dans le muscle et le tissu adipeux [7]. Des études réalisées in vivo chez des rongeurs et chez l’homme ont confirmé la relation entre lipides et résistance à l’insuline, mais elles ont également montré que, contrairement à l’hypothèse initiale de Randle, la résistance à l’insuline induite par les lipides n’était pas secondaire à une inhibition de la glycolyse [5]. En effet, les lipides agissent directement sur la signalisation insulinique en bloquant la translocation vers la membrane plasmique, en réponse à l’hormone, du transporteur de glucose sensible à l’insuline, GLUT4, réduisant ainsi l’entrée de glucose dans les cellules [5]. Chez l’homme, des données montrent clairement une forte corrélation entre le contenu lipidique intramusculaire et une résistance des cellules à l’insuline [8].

Le foie est un autre organe important impliqué dans la résistance à l’insuline. Comme dans le muscle, il semble également qu’une accumulation lipidique hépatique, que l’on appelle stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD pour nonalcoholic fatty liver disease), soit associée à une résistance à l’insuline hépatique [9].

La première étape de l’activation de la voie de signalisation de l’insuline est sa liaison à son récepteur membranaire qui provoque l’autophosphorylation des sous-unités β du récepteur [10]. Ainsi phosphorylé, le récepteur de l’insuline sera à l’origine de l’activation des IRS (pour insulin receptor substrate) qui, ensuite, activeront la PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase) (Figure 1). Cette kinase génèrera alors des phospholipides membranaires spécifiques, indispensables au recrutement d’une autre kinase, Akt (protéine kinase B) [10, 11] (→).

(→) Voir la Nouvelle de E. Hajduch, m/s n° 10, octobre 2001, page 1084

Figure 1. Voie de signalisation et rôle métabolique de l’insuline. L’insuline se lie à son récepteur qui active les IRS (insulin receptor substrates), la PI3K (phosphoinositol-3-kinase) et Akt (protéine kinase B) qui relaie les effets métaboliques de l’insuline et régule l’homéostasie glucidique dans les tissus insulino-sensibles. PIP2 : phosphatidylinositol 4,5-biphosphate. PIP3 : phosphatidylinositol 3,4,5 triphosphate ; PDK1 : 3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1 ; mTORC2 : mammalian target of rapamycin complex 2.

Figure 1. Voie de signalisation et rôle métabolique de l’insuline. L’insuline se lie à son récepteur qui active les IRS (insulin receptor substrates), la PI3K (phosphoinositol-3-kinase) et Akt (protéine kinase B) qui relaie les effets métaboliques de l’insuline et régule l’homéostasie glucidique dans les tissus insulino-sensibles. PIP2 : phosphatidylinositol 4,5-biphosphate. PIP3 : phosphatidylinositol 3,4,5 triphosphate ; PDK1 : 3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1 ; mTORC2 : mammalian target of rapamycin complex 2.

En présence d’insuline, Akt est ainsi recrutée à la membrane plasmique des cellules où elle sera activée par phosphorylation sur deux sites critiques : la thréonine 308 (T308), dans sa boucle d’activation, et la sérine 473 (S473), dans son motif hydrophobe (Figure 1). C’est la PDK1 (phosphoinositide-dependent kinase 1) qui phosphoryle Akt sur son site T308, et le complexe mTORC2 (mammalian target of rapamycin-2) qui phosphoryle son site S473 (Figure 1) [10].

Akt agit donc comme un relai de nombreuses activités métaboliques de l’insuline dans les différents tissus qu’elle cible. En effet, l’insuline stimule l’absorption du glucose dans les muscles squelettiques et les adipocytes, elle induit la synthèse de glycogène et son stockage dans les muscles et le foie, et la synthèse protéique dans les muscles ; elle inhibe également la lipolyse adipocytaire et la production hépatique de glucose (Figure 1) [12].

Dans les situations d’obésité et le diabète de type 2, tous deux caractérisés par une résistance à l’insuline, l’accumulation ectopique d’acides gras est accrue en raison d’une augmentation de leur entrée dans les cellules et d’une réduction de leur oxydation [13]. Une corrélation inverse existe entre l’augmentation intracellulaire des concentrations d’acides gras et la sensibilité à l’insuline musculaire, hépatique et adipocytaire [14, 15]. Les céramides constituent les principaux lipides qui jouent un rôle crucial dans la résistance à l’insuline. Dans des cellules de mammifères, les céramides sont des lipides centraux du métabolisme des sphingolipides. Ils peuvent être à la fois lipides de signalisation, mais aussi précurseurs d’autres sphingolipides bioactifs, ceux-ci allant des glycosphingolipides complexes à des lipides « simples » comme les céramides-1-phosphate, les sphingomyélines (SM), les sphingosines et les sphingosines-1-phosphate [12].

Voies de biosynthèse des céramides

Les céramides sont largement distribués dans les membranes cellulaires où ils jouent un rôle structurel important. Ils participent également à la signalisation intracellulaire et à la régulation de la croissance, de la migration, de l’apoptose et de la différenciation cellulaires [16]. Les céramides sont constitués d’une base sphingoïde à longue chaîne qui est liée à un acide gras par une liaison amide. Ils peuvent être produits par l’hydrolyse de la sphingomyéline par des sphingomyélinases [17], ou par la dégradation de sphingolipides complexes localisés dans les lysosomes [17].

Dans un contexte d’obésité associée à une surcharge en acides gras, les céramides sont principalement produits de novo, à partir d’acides gras saturés (en particulier le palmitate) (Figure 2). Cette synthèse, qui s’effectue dans le réticulum endoplasmique (RE), est le résultat de différentes réactions qui commencent par la condensation de la L-sérine avec le palmitoyl-CoA. Cette réaction est catalysée par la sérine palmitoyl-transférase (SPT) et génère le 3-keto-dihydrosphingosine, qui sera réduit en dihydrosphingosine par la 3-keto-dihydrosphingosine réductase. La dihydrosphingosine est ensuite N-acylée par différentes isoformes de céramide synthases (CerS) pour former des dihydrocéramides. Chez les mammifères, six isoformes de CerS sont exprimées, CerS 1 à 6 [18]. Ces enzymes catalysent la même réaction chimique, mais elles présentent des caractéristiques spécifiques quant à la longueur des chaînes d’acyl-CoA qu’elles utilisent pour la N-acylation. C’est donc de la nature des isoformes de CerS que dépend la composition en acides gras des céramides. La chaîne carbonée de la partie sphingoïde, constituant la dihydrocéramide, sera finalement désaturée par la dihydrocéramide désaturase (DES1) pour former un céramide [17] (Figure 2).

Figure 2. Voie de synthèse de novo des céramides. Le palmitate est l’acide gras saturé préférentiellement utilisé pour la synthèse de novo des céramides qui est réalisée dans le réticulum endoplasmique (RE) des cellules. Le palmitoyl-CoA est d’abord condensé avec une sérine pour former une 3-keto-dihydrosphingosine sous l’action de la sérine palmitoyl transférase (SPT). La 3-keto-dihydrosphingosine est ensuite métabolisée en dihydrosphingosine par la 3-keto-dihydrosphingosine réductase (KDHR). La dihydrosphingosine formée est acylée par différentes isoformes de céramides synthases (CerS1-6) pour former des dihydrocéramides de différentes longueurs de chaîne. Les dihydrocéramides sont ensuite désaturés par la dihydrocéramide Δ4-désaturase (DES1) pour donner des céramides.

Figure 2. Voie de synthèse de novo des céramides. Le palmitate est l’acide gras saturé préférentiellement utilisé pour la synthèse de novo des céramides qui est réalisée dans le réticulum endoplasmique (RE) des cellules. Le palmitoyl-CoA est d’abord condensé avec une sérine pour former une 3-keto-dihydrosphingosine sous l’action de la sérine palmitoyl transférase (SPT). La 3-keto-dihydrosphingosine est ensuite métabolisée en dihydrosphingosine par la 3-keto-dihydrosphingosine réductase (KDHR). La dihydrosphingosine formée est acylée par différentes isoformes de céramides synthases (CerS1-6) pour former des dihydrocéramides de différentes longueurs de chaîne. Les dihydrocéramides sont ensuite désaturés par la dihydrocéramide Δ4-désaturase (DES1) pour donner des céramides.

Mécanisme d’action des céramides

Les mécanismes par lesquels les céramides agissent sur la voie de signalisation insulinique dans les tissus sensibles à l’hormone sont maintenant établis, en particulier dans les cellules musculaires et adipocytaires (ils le sont moins au niveau hépatique). Dans ces cellules, ils inhibent spécifiquement deux acteurs cette voie de signalisation : Akt et les IRS. Les céramides activent rapidement la protéine kinase C atypique PKCζ qui interagit avec le domaine PH d’Akt, homologue de la pleckstrine, et le phosphoryle sur un résidu Thr34/Ser34. Cette phosphorylation d’Akt est à l’origine de sa sa séquestration dans des domaines spécialisés de la membrane plasmique, les microdomaines enrichis en cavéoline (MEC) [42]. Ce ciblage d’Akt dans les MEC empêche ainsi la kinase d’être recrutée à la membrane plasmique où elle est, normalement, activée en réponse à l’insuline [43, 44]. Dans des cellules dépourvues de MEC, les céramides inhibent Akt par un autre mécanisme qui implique la phosphatase PP2A (protéine phosphatase 2A) qui déphosphoryle la kinase [44] (Figure 3). À plus long terme, les céramides ciblent et inhibent aussi les IRS par des mécanismes impliquant PKR/JNK (double-stranded RNA-dependent protein kinase/c-Jun kinase) et/ou Prep1 (Pbx regulating protein) et son cofacteur p160, qui altèrent l’expression de GLUT4 et donc l’entrée de glucose dans la cellule [45,46] (Figure 3).

Figure 3. Action négative des céramides sur le signal de l’insuline dans les cellules. Les céramides inhibent la voie de signalisation de l’insuline en ciblant deux acteurs importants, Akt (protéine kinase B) et les IRS (insulin receptor substrates). Les céramides activent rapidement la PP2A (protein phosphatase 2) ou la PKCζ (protein kinase C z) pour inactiver Akt. À plus long terme, les céramides induisent les axes PKR (double stranded ARN-activated protein kinase)/JNK (c-Jun NH2-terminal kinase) et/ou Prep1 (Pbx regulating protein 1)/p160 pour cibler négativement les IRS.

Figure 3. Action négative des céramides sur le signal de l’insuline dans les cellules. Les céramides inhibent la voie de signalisation de l’insuline en ciblant deux acteurs importants, Akt (protéine kinase B) et les IRS (insulin receptor substrates). Les céramides activent rapidement la PP2A (protein phosphatase 2) ou la PKCζ (protein kinase C z) pour inactiver Akt. À plus long terme, les céramides induisent les axes PKR (double stranded ARN-activated protein kinase)/JNK (c-Jun NH2-terminal kinase) et/ou Prep1 (Pbx regulating protein 1)/p160 pour cibler négativement les IRS.

L’implication des céramides dans le développement du DT2 est désormais bien établie. Cibler ces lipides pour prévenir leurs actions néfastes dans les cellules apparaît donc une approche thérapeutique intéressante pour améliorer la sensibilité à l’insuline [52]. Deux interventions peuvent être envisagées : 1) agir sur les protéines de signalisation, en aval des céramides (PKCζ, PP2A, PKR, etc.), ou 2) moduler les concentrations intracellulaires de céramides.

Les protéines de signalisation que ciblent les céramides participent à de nombreuses autres voies que celles régulant la voie de signalisation insulinique. Il semble donc difficile de moduler spécifiquement celles impliquées dans la voie insulinique sans affecter d’autres cibles secondaires.

La deuxième stratégie apparaît donc plus valide. Ainsi, chez des rongeurs soumis à un régime riche en graisse, l’inhibition pharmacologique, par la myriocine² [53, 54] ou le fenrétinide [55], d’enzymes impliquées dans la voie de biosynthèse de novo des céramides (respectivement SPT [sérine palmitoyltransférase] et DES1 [dihydrocéramide désaturase]), est suffisante pour améliorer la tolérance au glucose et la sensibilité à l’insuline. De même, une approche génétique a aussi confirmé le rôle des céramides dans la résistance à l’insuline in vivo. En effet, chez des souris diabétiques dont le gène codant DES1 a été altéré (souris DES^-/+), une diminution des concentrations tissulaires de céramides, accompagnée d’une amélioration de la sensibilité à l’insuline a été observée, par rapport à leurs compagnons de litière de type sauvage [56]. Ces études réalisées chez l’animal seront néanmoins difficilement envisageables chez l’homme en raison de l’importance des céramides comme colonne vertébrale des sphingolipides. Il est en effet probable qu’inhiber complètement leur synthèse pourrait être dommageable pour les cellules. Le but étant de restaurer (ou de garder) des concentrations « physiologiques » intra-tissulaires de céramides, une possibilité pourrait être de cibler spécifiquement certaines espèces de céramides. Plusieurs études ont montré qu’en fonction du type cellulaire, des espèces de céramides différentes pouvaient être associées à la lipotoxicité (C16-céramides dans les hépatocytes, C18-céramides dans les cellules musculaires) (Figure 3). Inhiber la biosynthèse de ces espèces de céramides de façon tissu-spécifique, en utilisant des inhibiteurs ciblant les céramides synthases impliquées dans leur acylation pourrait donc être envisagé.

L’inhibition de la synthèse de certaines espèces de céramides pourrait présenter des effets néfastes sur la cellule. Les céramides agissent en effet comme des « lipides suppresseurs de tumeurs », en régulant de nombreuses réponses cellulaires fondamentales (apoptose, cycle cellulaire et autophagie) [57]. De même, chez la souris, l’inhibition de CerS2, qui induit une diminution des concentrations de C24-céramides, est associée à une fibrose hépatique sévère [58], à une augmentation de la perméabilité intestinale [59], et à une inflammation des voies respiratoires [60]. Il sera donc important de vérifier que les inhibiteurs de céramide synthase potentiellement utilisés à des fins thérapeutiques n’entraîneront pas de tels effets indésirables.

La quantification des sphingolipides circulants pourrait être importante dans l’optique de suivre le développement d’un diabète, puisqu’il a été récemment montré que certains sphingolipides pouvaient être utilisés comme biomarqueurs afin d’identifier les individus à risque de développer un DT2. Les concentrations circulantes de dihydrocéramides (sphingolipides précurseurs des céramides) sont en effet significativement élevées chez les individus pré-diabétiques, jusqu’à 9 ans avant le début de la maladie [61]. Ces dihydrocéramides circulants sont de meilleurs biomarqueurs du DT2 que les céramides circulants [62]. Peu de données, à l’échelle cellulaire ou chez l’animal, existent sur le rôle mécanistique de ces dihydrocéramides sur la physiopathologie du DT2. Des études complémentaires seront donc nécessaires pour préciser l’intérêt de cette espèce de sphingolipides dérivée des céramides comme biomarqueur ou cible thérapeutique dans le DT2.

Au fil des années, de nombreuses études ont montré que les céramides jouaient un rôle crucial et délétère dans la régulation de la sensibilité à l’insuline tissulaire. Le décryptage des mécanismes par lesquels les céramides agissent négativement sur la signalisation de l’insuline a été un autre grand pas dans la compréhension de leur rôle. La priorité reste toutefois de déterminer avec certitude quelle(s) espèce(s) de céramide(s) est(sont) responsable(s) de l’insulino-résistance induite par la lipotoxicité dans les tissus cibles de l’hormone. Ces efforts seront cruciaux pour identifier finement des cibles thérapeutiques potentielles pour le développement de médicaments réduisant le risque de troubles associés aux lipides et de leurs maladies métaboliques et cardiovasculaires.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.