Le séquençage du génome humain, au début des années 2000, a révélé que notre patrimoine génétique comprenait moins de 40 000 gènes (20-25 000 gènes codant pour des protéines selon des estimations plus récentes [ 1]) alors que les cellules vivantes sont des systèmes sophistiqués comprenant un nombre très important d’activités biologiques complexes. Cette grande diversité des activités cellulaires, surprenante au regard du faible nombre de gènes qui codent pour les protéines, peut en partie s’expliquer par les nombreuses modifications post-traductionnelles (phosphorylation, glycosylation, sumoylation, acétylation, ubiquitinylation, nitrosylation, palmitoylation, farnésylation, méthylation, ADP-ribosylation, hydroxylation, oxydation, etc.) qui augmentent de façon importante les potentialités fonctionnelles des protéines. Ces modifications contrôlent en particulier leur localisation dans différents compartiments cellulaires et leur interaction avec différents partenaires au sein d’assemblages multimoléculaires, permettant la mise en place de réseaux de signalisation complexes.

Les phosphorylations et glycosylations constituent les modifications post-traductionnelles les plus abondantes et les mieux connues. Cependant, alors que les phosphorylations sont généralement considérées comme étant des modifications rapides et réversibles, permettant à la cellule de répondre à divers stimulus et de s’adapter aux variations de son environnement, les glycosylations ont longtemps été considérées comme des modifications stables, impliquant l’ajout de chaînes complexes d’hydrates de carbone, qui généralement restent présentes sur la protéine mature tout au long de son existence. Ces glycosylations complexes, sur des résidus sérine/thréonine (O-glycosylations) ou asparagine (N-glycosylations), ne se rencontrent que dans certains compartiments cellulaires (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, face externe de la membrane plasmique) et concernent essentiellement les protéines membranaires ou sécrétées. Cependant, en 1984, en étudiant la distribution des résidus N-Acétylglucosamine terminaux à la surface des lymphocytes T, G. W. Hart [ 2] a découvert un type de glycosylation original, la O-N-Acétylglucosaminylation (O-GlcNAcylation), qui consiste en l’addition d’un monosaccharide, la N-acétyl-glucosamine, sur le groupement hydroxyl d’acides aminés sérine ou thréonine (Figure 1). Il s’est ensuite rendu compte que, contrairement aux glycosylations « classiques », cette modification était observée essentiellement dans le cytoplasme et le noyau de la cellule [ 3, 4].

Figure 1 Voie de biosynthèse des hexosamines. Deux à 3 % du glucose entrant dans la cellule est dirigé vers la voie de biosynthèse des hexosamines (HBP). Cette voie, qui débute avec la synthèse de glucosamine 6-P à partir de fructose 6-P et de glutamine, conduit à la production d’UDP-GlcNAc (uridine 5-diphospho N-acétylglucosamine), substrat utilisé par l’OGT pour réaliser la O-GlcNAcylation des protéines cytosoliques ou nucléaires. L’UDP-GlcNAc est également le donneur de GlcNAc pour d’autres types de glycosylations non figurés sur ce schéma (glycosylations classiques dans le réticulum endoplasmique et le Golgi, glycolipides, etc.). L’étape limitante de la voie HBP est celle catalysée par la GFAT (glutamine fructose-6-phosphate amidotransférase) qui utilise la glutamine pour convertir le fructose-6 phosphate en glucosamine-6 phosphate. L’UDP-GlcNAc est un inhibiteur allostérique de la GFAT, permettant un rétrocontrôle négatif de la voie HBP.

Figure 1 Voie de biosynthèse des hexosamines. Deux à 3 % du glucose entrant dans la cellule est dirigé vers la voie de biosynthèse des hexosamines (HBP). Cette voie, qui débute avec la synthèse de glucosamine 6-P à partir de fructose 6-P et de glutamine, conduit à la production d’UDP-GlcNAc (uridine 5-diphospho N-acétylglucosamine), substrat utilisé par l’OGT pour réaliser la O-GlcNAcylation des protéines cytosoliques ou nucléaires. L’UDP-GlcNAc est également le donneur de GlcNAc pour d’autres types de glycosylations non figurés sur ce schéma (glycosylations classiques dans le réticulum endoplasmique et le Golgi, glycolipides, etc.). L’étape limitante de la voie HBP est celle catalysée par la GFAT (glutamine fructose-6-phosphate amidotransférase) qui utilise la glutamine pour convertir le fructose-6 phosphate en glucosamine-6 phosphate. L’UDP-GlcNAc est un inhibiteur allostérique de la GFAT, permettant un rétrocontrôle négatif de la voie HBP.

Il est alors rapidement apparu que la O-GlcNAcylation des protéines cytosoliques ou nucléaires était une modification dynamique, dont le turn-over était beaucoup plus élevé que celui de la protéine ellemême [ 5]. De fait, on sait maintenant que la O-GlcNAcylation est une modification réversible qui, de façon analogue à la phosphorylation, contrôle l’activité des protéines et les interactions entre protéines au sein d’assemblages moléculaires [ 6]. Cependant, contrairement aux phosphorylations/déphosphorylations qui sont régulées par une myriade de kinases et phosphatases, deux enzymes seulement, l’OGT (O-linked N-acetyl-glucosaminyltransferase) et la N-Acétyl-β-D glucosaminidase (O-GlcNAcase ou OGA), dont les gènes ont été clonés respectivement en 1997 [ 7, 8] et 2001 [ 9], contrôlent le niveau de O-GlcNAcylation des protéines (Figure 1).

Bien que cette modification soit connue depuis maintenant un quart de siècle, la communauté scientifique commence tout juste à prendre conscience de son importance dans la plupart des processus biologiques. Le rôle fondamental de cette modification, que l’on retrouve chez pratiquement tous les êtres vivants (animaux, végétaux, bactéries, champignons, etc.), est probablement lié au fait qu’elle pourrait constituer un mécanisme ancestral de régulation de l’activité des protéines en fonction de l’environnement énergétique de la cellule. En effet, le glucose est l’un des substrats énergétiques les plus largement utilisés par les êtres vivants. Une fraction (2-3 %) du glucose entrant dans la cellule est converti en UDP-N-Acétyl-glucosamine (UDP-GlcNAc) par la voie de biosynthèse des hexosamines [ 10]. Le niveau d’UDP-GlcNAc dans la cellule reflète donc le flux de glucose à travers cette voie. L’UDP-GlcNAc est le substrat de l’OGT, qui peut donc être considérée comme un « senseur métabolique du glucose », capable de modifier les protéines en fonction de changements de disponibilité en glucose (Figure 1). L’UDP-GlcNAc se trouve en outre au carrefour de plusieurs voies métaboliques (métabolisme du glucose, des acides gras - fonction acétyl -, des acides aminés - fonction amine - et des bases azotées - uridine -) et pourrait de ce fait constituer un intégrateur de l’état nutritionnel général de la cellule (Figure 2).

Figure 2 L’UDP-GlcNAc : un « senseur » de l’état nutritionnel. L’activité de l’OGT dépend de la concentration intracellulaire d’UDP-GlcNAc qui peut être considéré comme un intégrateur de l’environnement nutritionnel de la cellule. En effet, la concentration d’UDP-GlcNAc dépend du flux de glucose dans la voie HBP, mais aussi de la disponibilité en acétyl-CoA (produit dans le cycle de Krebs ou par oxydation des acides gras), ainsi que de la disponibilité en glutamine, en uridine et en ATP.

Figure 2 L’UDP-GlcNAc : un « senseur » de l’état nutritionnel. L’activité de l’OGT dépend de la concentration intracellulaire d’UDP-GlcNAc qui peut être considéré comme un intégrateur de l’environnement nutritionnel de la cellule. En effet, la concentration d’UDP-GlcNAc dépend du flux de glucose dans la voie HBP, mais aussi de la disponibilité en acétyl-CoA (produit dans le cycle de Krebs ou par oxydation des acides gras), ainsi que de la disponibilité en glutamine, en uridine et en ATP.

De nombreux travaux ont montré que les O-GlcNAcylations régulent les fonctions cellulaires en modulant la stabilité des protéines, leur activité enzymatique, leur localisation subcellulaire et leurs interactions avec différents partenaires protéiques [6, 11, 12]. Ainsi, la O-GlcNAcylation de certains facteurs de transcription peut conduire à une augmentation de leur stabilité [ 13, 14], à leur relocalisation dans le noyau [ 15, 16], ou à une augmentation de leur activité transcriptionnelle [ 17, 18]. En outre, un raffinement supplémentaire dans les possibilités de régulation des protéines est introduit par le fait qu’un même résidu sérine ou thréonine peut être soit O-GlcNAcylé, soit phosphorylé, les deux modifications étant mutuellement exclusives (phénomène de Yin-Yang). Ainsi, la O-GlcNAcylation de l’enzyme eNOS (endothelial nitric oxide synthase) sur le résidu phosphorylé par Akt en réponse aux facteurs de croissance empêche sa phosphorylation et donc son activation [ 19, 20]. L’OGT a d’ailleurs été retrouvée dans des complexes protéiques, associée à la protéine phosphatase PP1 (isoformes β et γ), suggérant une action coordonnée dans laquelle une déphosphorylation préalable de la protéine substrat par la PP1 permettrait ensuite sa O-GlcNAcylation sur les sites déphosphorylés [ 21].

L’importance biologique de cette modification post-traductionnelle est soulignée par le fait que des anomalies de la O-GlcNAcylation des protéines ont été impliquées dans un certain nombre de pathologies humaines [11].

De telles anomalies semblent jouer un rôle particulièrement important dans un grand nombre de complications diabétiques [11, 12, 22]. Le gène codant pour l’enzyme O-GlcNAcase a d’ailleurs été montré comme étant un locus de susceptibilité pour le diabète de type 2 dans une population d’Américains d’origine mexicaine [ 23].

La O-GlcNAcylation pourrait par ailleurs jouer un rôle important dans les maladies neurodégénératives [ 24]. Le gène codant pour l’OGT est un candidat dans la dystonie parkinsonienne liée à l’X, alors que le gène codant pour l’O-GlcNAcase se trouve proche d’une région candidate dans la maladie d’Alzheimer. Des défauts de O-GlcNAcylation semblent contribuer à la toxicité de certaines protéines observée dans les maladies neurodégénératives. Ainsi, dans la maladie d’Alzheimer, un défaut de O-GlcNAcylation de la protéine Tau, probablement dû à la diminution d’utilisation du glucose dans le cerveau des personnes âgées, semble contribuer à l’hyperphosphorylation de cette protéine, conduisant ainsi aux dysfonctionnements qui aboutissent au développement de la maladie neurodégénérative. Une relation réciproque, de type Yin-Yang, a en effet été décrite [ 25], la O-GlcNAcylation de la protéine Tau ayant un effet protecteur, en réduisant sa phosphorylation sur de nombreux résidus [ 26].

Enfin, dans la mesure où plusieurs oncogènes et suppresseurs de tumeur sont modifiés par O-GlcNAcylation, un rôle dans les processus cancéreux semble également assez probable [6, 17].

L’implication des O-GlcNAcylations dans des pathologies aussi diverses est probablement liée au fait que ces modifications peuvent réguler un nombre important de voies de signalisation. L’analogie entre O-GlcNAcylations et phosphorylations est très frappante. Il faut cependant garder à l’esprit que contrairement aux phosphorylations, les O-GlcNAcylations, qui ne sont réalisées que par une seule enzyme (l’OGT), ne peuvent s’organiser en cascades de signalisation, dans lesquelles une protéine O-GlcNAcylée irait à son tour transmettre un signal en O-GlcNAcylant une autre protéine (comme c’est le cas pour les cascades de phosphorylations impliquant les protéines kinase s). Il semblerait plutôt qu’il faille considérer la O-GlcNAcylation comme un mécanisme de régulation transversal, une sorte de « rhéostat » qui contrôlerait, en fonction de l’état nutritionnel de la cellule, l’intensité du signal passant à travers différentes voies de signalisation. Nous illustrerons notre propos, dans le paragraphe suivant, en présentant certains aspects de la régulation de la voie de signalisation de l’insuline par les O-GlcNAcylations.

La résistance à l’insuline, que l’on définit comme une diminution de l’efficacité de l’action de l’insuline sur ses tissus cibles, est une caractéristique majeure de maladies comme le diabète de type 2 et l’obésité. On sait depuis de nombreuses années que l’hyperglycémie chronique a, par elle-même, des effets délétères sur la sensibilité à l’insuline [12]. L’implication de la voie de biosynthèse des hexosamines dans la résistance à l’insuline induite par le glucose avait été proposée dès 1991 par Marshall et al. qui avaient observé qu’une diminution de sensibilité à l’insuline dans les adipocytes primaires pouvait être obtenue par la présence concomitante, dans le milieu de culture, de glutamine, de fortes concentrations de glucose et d’insuline. L’effet de ces agents était inhibé par des drogues agissant sur la GFAT (glutamine : fructose-6-phosphate aminotransférase) (Figure 1), enzyme limitante de la voie de biosynthèse des hexosamines. En outre, la glucosamine, qui entre dans la voie HBP (hexosamine biosynthetic pathway) en aval de la GFAT (Figure 1) était, à elle seule, beaucoup plus efficace que les trois agents réunis pour induire l’insulinorésistance [10]. Ces résultats ont permis aux auteurs de proposer que la voie HBP joue un rôle important dans la résistance à l’insuline, alors que les mécanismes moléculaires sous-jacents n’étaient pas encore connus [10].

Des modèles de souris transgéniques, réalisés par McClain et al. [ 27, 28], surexprimant dans différents tissus la GFAT ou l’OGT, ont permis de confirmer le fait qu’une suractivation de la voie dans le muscle, le tissu adipeux, le foie ou la cellule β du pancréas conduisait à des phénotypes similaires à ceux observés dans le diabète de type 2 et l’obésité (Figure 3). Ces observations ont tout naturellement conduit à l’étude de la O-GlcNAcylation potentielle des protéines impliquées dans la signalisation de l’insuline.

Figure 3 Surexpression de la GFAT ou de l’OGT dans des modèles de souris transgéniques. Différents modèles de souris transgéniques ont permis de montrer qu’une augmentation de l’expression des enzymes-clés impliquées dans la O-GlcNAcylation des protéines conduit à des altérations du métabolisme énergétique similaires à celles observées chez les patients obèses ou diabétiques, suggérant un rôle important de cette voie dans ces pathologies. GFAT : glutamine-fructose-6-phosphate aminotransférase ; PEPCK : phosphoénolpyruvate carboxykinase.

Figure 3 Surexpression de la GFAT ou de l’OGT dans des modèles de souris transgéniques. Différents modèles de souris transgéniques ont permis de montrer qu’une augmentation de l’expression des enzymes-clés impliquées dans la O-GlcNAcylation des protéines conduit à des altérations du métabolisme énergétique similaires à celles observées chez les patients obèses ou diabétiques, suggérant un rôle important de cette voie dans ces pathologies. GFAT : glutamine-fructose-6-phosphate aminotransférase ; PEPCK : phosphoénolpyruvate carboxykinase.

La liaison de l’insuline à son récepteur stimule son activité tyrosine kinase envers des substrats intracellulaires comme IRS1 (insulin receptor substrate 1) ou Shc, qui vont alors activer des voies de signalisation impliquées dans les effets métaboliques et mitogéniques de l’insuline [ 29].

Il est apparu que de nombreux acteurs de la signalisation de l’insuline, allant de la membrane cellulaire au noyau, pouvaient être O-GlcNAcylés (Figure 4). De fait, la sous-unité β intracellulaire du récepteur de l’insuline, les protéines IRS 1 et 2, les sous-unités p85 et p110 de la PI-3 kinase, la PDK-1 (3-phosphoinositide-dependent kinase-1), la protéine kinase PKB/Akt, la Gsk3 (glycogen synthase kinase 3), et le facteur de transcription FoxO1 (forkhead box O1) sont des cibles de l’OGT et, dans la plupart des cas, ces O-GlcNAcylations ont des effets opposés à ceux qu’induit l’insuline [11].

Figure 4 Rétrocontrôle négatif de la signalisation de l’insuline par l’OGT. L’insuline, en activant la voie PI-3 kinase/Akt, stimule l’entrée de glucose dans la cellule. Une fraction de ce glucose, entrant dans la voie HBP, va permettre la synthèse d’UDP-GlcNAc, substrat de l’OGT. L’OGT, qui possède des séquences de reconnaissance des PIP3 membranaires, est en partie relocalisée à la membrane suite à l’activation de la PI-3 kinase par l’insuline. Elle pourra alors O-GlcNAcyler les éléments proximaux de la signalisation de l’insuline, conduisant à une atténuation du signal. Dans les situations d’hyperglycémie chronique (résistance à l’insuline) et/ou lorsque les apports alimentaires sont trop élevés (sociétés occidentales), l’excès de glucose (et d’autres nutriments) pourrait alors favoriser la synthèse d’UDP-GlcNAc, aboutissant à une O-GlcNAcylation anormale des protéines de la signalisation et à une détérioration de la sensibilité à l’insuline. OGT : O-linked N-acetyl-glucosaminyltransferase ; IRS : insulin response substrate.

Figure 4 Rétrocontrôle négatif de la signalisation de l’insuline par l’OGT. L’insuline, en activant la voie PI-3 kinase/Akt, stimule l’entrée de glucose dans la cellule. Une fraction de ce glucose, entrant dans la voie HBP, va permettre la synthèse d’UDP-GlcNAc, substrat de l’OGT. L’OGT, qui possède des séquences de reconnaissance des PIP3 membranaires, est en partie relocalisée à la membrane suite à l’activation de la PI-3 kinase par l’insuline. Elle pourra alors O-GlcNAcyler les éléments proximaux de la signalisation de l’insuline, conduisant à une atténuation du signal. Dans les situations d’hyperglycémie chronique (résistance à l’insuline) et/ou lorsque les apports alimentaires sont trop élevés (sociétés occidentales), l’excès de glucose (et d’autres nutriments) pourrait alors favoriser la synthèse d’UDP-GlcNAc, aboutissant à une O-GlcNAcylation anormale des protéines de la signalisation et à une détérioration de la sensibilité à l’insuline. OGT : O-linked N-acetyl-glucosaminyltransferase ; IRS : insulin response substrate.

Une étude récente a jeté un éclairage nouveau sur le mécanisme par lequel l’OGT est adressée à la membrane plasmique, à proximité des protéines impliquées dans les évènements précoces de la signalisation de l’insuline [ 30]. À l’état de repos, l’OGT à une localisation essentiellement cytosolique et nucléaire. Sous l’action de l’insuline, la production membranaire de phosphatidyl-inositol 3-phosphate (PIP₃) par la PI-3 kinase permet de recruter l’OGT à la membrane plasmique par l’intermédiaire d’un domaine particulier dénommé PPO (PIP-binding domain of OGT), situé dans la partie carboxy-terminale de la protéine. Le recrutement de l’OGT à la membrane va alors favoriser la O-GlcNAcylation des protéines intervenant dans la voie de la signalisation de l’insuline, conduisant ainsi à une atténuation du signal (Figure 4). Ce rétrocontrôle négatif pourrait être exacerbé dans les situations où la cellule baigne dans un environnement cellulaire anormalement riche en glucose, du fait de l’hyperglycémie chronique observée chez les patients obèses ou diabétiques. Ceci entraînerait une diminution de l’efficacité de la signalisation de l’insuline, conduisant à une résistance cellulaire à l’insuline et à la mise en place d’un cercle vicieux dans lequel l’hyperglycémie entraînerait une aggravation de l’hyperglycémie (glucotoxicité) [12, 22].

L’une des difficultés dans la compréhension des mécanismes de la régulation des activités cellulaires par O-GlcNAcylation est liée à la spécificité d’action de l’OGT. Dans la mesure où une seule enzyme assure la O-GlcNAcylation d’un très grand nombre de protéines (plus de 600 identifiées à ce jour), il est difficile de comprendre par quel mécanisme est assuré le contrôle de la spécificité d’action de l’OGT vis-à-vis de différents substrats en fonction de différents stimulus.

La présence de groupements phosphates sur les protéines est connue depuis le début du XX^e siècle [ 40]. Cependant, ce n’est que vers le milieu des années 1950, avec en particulier les travaux pionniers de E. G. Krebs et E. H. Fsher sur la régulation, par phosphorylation, de l’activité d’une enzyme du métabolisme (la glycogen phosphorylase), que l’on commença à prendre conscience de l’importance de cette modification post-traductionnelle (Krebs et Fisher obtinrent, en 1992, le prix Nobel de physiologie/médecine pour leurs découvertes concernant la phosphorylation réversible des protéines comme mode de régulation biologique [ 41]). Il apparaît clairement maintenant que la O-GlcNAcylation des protéines joue un rôle fondamental dans de nombreux aspects de la vie de la cellule. Cette modification, découverte beaucoup plus récemment, semble tout aussi importante que la phosphorylation dans les régulations biologiques. L’explosion de ce domaine de recherche ces dernières années laisse en effet entrevoir d’importants bouleversements dans notre conception des mécanismes de régulation des signaux intracellulaires.

L’auteur déclare n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Notre travail est soutenu par l’Alfediam-SFD (Société francophone du diabète), l’ANR (ANR Genopath 2008 « DIAB-O-GLYC »), l’Association pour la recherche sur le cancer (ARC-subvention 1069) et la Région Île-de-France.