Rapalogues et inhibiteurs de MTOR comme thérapeutiques anti-âge

La rapamycine, un inhibiteur de la cible mécaniste de la rapamycine (mTOR), bénéficie à ce jour du soutien expérimental le plus solide en tant quepotentiel thérapeutique anti-âgechez les mammifères. Contrairement à de nombreux autres composés dont on prétend qu'ils influencent la longévité, la rapamycine a été testée à plusieurs reprises chez des souris génétiquement hétérogènes à longue durée de vie, chez lesquelles elle prolonge à la fois la durée de vie moyenne et maximale. Cependant, le mécanisme qui explique ces effets est loin d'être clair, et une liste croissante d'effets secondaires rend douteux que la rapamycine soit finalement bénéfique chez l'homme. Cette revue examine les perspectives de développement de nouvelles technologies plus sûresthérapies anti-âgebasés sur des analogues de la rapamycine (appelés rapalogues) ou d'autres approches ciblant la signalisation mTOR.

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Bref historique de la rapamycine et cible mécaniste de la rapamycine La rapamycine a été découverte dans le sol de l'île de Pâques sous la forme d'un composé produit par Streptomyces hygroscopicus capable d'inhiber la prolifération de la levure Candida albicans mais n'affectant pas la croissance des bactéries (1). Chez les mammifères, la rapamycine s'est avérée inhiber la réponse immunitaire et a ensuite été adoptée comme traitement standard pour prévenir le rejet de greffe chez les receveurs de greffe et pour traiter les maladies auto-immunes (2, 3). La rapamycine inhibe également largement la croissance et la prolifération des cellules de mammifères, suscitant un intérêt plus récent pour son utilisation en tant que traitement du cancer (4). Mécaniquement, la rapamycine se lie à FKBP12, une immunophiline à activité prolyl isomérase. Deux protéines supplémentaires requises pour ses effets dans la levure ont été identifiées lors d'un criblage génétique en 1991 et appelées cibles de la rapamycine 1 (TOR1) et TOR2 (5). En 1994 et 1995, trois groupes distincts ont isolé une kinase 289-kDa qui est liée et inhibée par le complexe rapamycine-FKBP12 dans les cellules de mammifères (6–8). Cette kinase est maintenant connue sous le nom de cible mécaniste de la rapamycine (mTOR) et est homologue à environ 40 % aux protéines TOR de Saccharomyces cerevisiae et hautement conservée chez les eucaryotes. mTOR se trouve dans deux complexes qui ont des fonctions distinctes et des sensibilités différentes à l'action de la rapamycine. Le complexe mTOR 1 (mTORC1 ; composé de mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) joue un rôle clé dans la régulation de la traduction et de la croissance cellulaire via la phosphorylation de substrats qui incluent la kinase S6 (S6K) et la protéine de liaison du facteur d'initiation eucaryote eIF4E (4E-BP), et est puissamment inhibée par la rapamycine. En revanche, mTORC2 (composé de mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) régule un ensemble diversifié de substrats, y compris AKT S473, kinase régulée par le sérum/glucocorticoïde et PKC-, et est extrêmement résistant à la rapamycine, bien qu'il puisse être physiquement perturbé lors d'une exposition chronique. Les mTORC reçoivent des entrées via une grande variété de mécanismes de signalisation et jouent un rôle dans de nombreux aspects de la physiologie, qui ont été examinés en profondeur (9). En bref, mTORC1 répond aux signaux qui incluent les acides aminés, le glucose, les ligands WNT, l'oxygène, l'AMPc et l'insuline/IGF-1. La régulation de l'activité de mTORC2 est moins claire mais peut impliquer une interaction avec les ribosomes (10). La signalisation insuline/IGF-1 vers mTORC1 est médiée en partie par mTORC2 via la phosphorylation AKT. À son tour, l'activation de mTORC1 rétroagit pour atténuer la signalisation insuline/IGF-1 via S6K1 et GRB10 (Figure 1 et réf. 11).

Relier la signalisation mTOR à l'âge Le rôle de la signalisation TOR dans le vieillissement a été révélé pour la première fois en 2003 lorsque Vellai et ses collègues ont montré que l'ARNi contre let-363/CeTor prolongeait considérablement la durée de vie de Caenorhabditis elegans et fonctionnait indépendamment de daf{{2} }, un homolog FOXO dont il avait déjà été démontré qu'il influençait la durée de vie (12). Cela a été rapidement suivi par la démonstration que l'inhibition génétique de la signalisation TOR prolonge la durée de vie de Drosophila melanogaster et de la levure bourgeonnante S. cerevisiae (13, 14). L'inhibition génétique de la signalisation mTOR chez les mammifères est une question délicate, car la protéine kinase mTOR, le raptor, le rictor et le mLST8 sont tous essentiels au développement (15). Récemment, nous avons démontré que les souris femelles Mtor plus /–Mlst8 plus /– ont une activité réduite de mTORC1 et une longévité accrue, similaire au phénotype rapporté par Selman et ses collègues pour les souris dépourvues de S6K1, l'un des principaux substrats de mTORC1 (16, 17 ). Par conséquent, le lien entre la signalisation mTOR et la longévité semble être conservé de la levure aux mammifères (tableau 1).

Effets de la rapamycine sur la longévité

La rapamycine prolonge la durée de vie des levures, des vers et des mouches (tableau 2 et réf. 18–21). En 2009, il a été démontré que la rapamycine prolonge la durée de vie moyenne et maximale des souris mâles et femelles génétiquement hétérogènes (progéniture d'un croisement à quatre voies entre des souches consanguines à longue durée de vie) (22). Remarquablement, le traitement n'a été initié que lorsque les souris avaient atteint un âge avancé (20 mois), à peu près équivalent à un âge humain de 60 ans. Dans une étude de suivi commençant à l'âge de 9 mois, la rapamycine a prolongé la durée de vie médiane chez les hommes et les femmes de 10 % et 18 %, respectivement, et la durée de vie maximale de 16 % et 13 % (23). La rapamycine a été microencapsulée dans un enrobage entérique qui a permis la délivrance dans les aliments au cours de ces études, et le taux sanguin atteint était environ trois fois plus élevé que la plage thérapeutique typique pour l'immunosuppression chez l'homme (24).

Figure 1 Signalisation mTOR. mTOR se trouve dans deux complexes, mTORC1 et mTORC2. mTORC1 est régulé en partie via le complexe TSC, qui agit normalement comme une protéine activant la GTPase pour que Rheb supprime la signalisation mTORC1. mTORC1 est également régulé par les acides aminés via la famille de liaison GTP (Rag) liée à Ras de petites GTPases. Les protéines Rag activent mTORC1 en localisant mTORC1 dans le lysosome via une interaction avec le complexe régulateur (110). mTORC1 favorise la croissance en améliorant la biogenèse ribosomale, la traduction et d'autres processus anabolisants tout en inhibant l'autophagie. mTORC1 supprime la signalisation insuline/IGF-1 via une régulation directe de Grb10 et S6K, ce qui réduit ensuite la signalisation vers mTORC2. AKT, un inhibiteur de TSC1/2, est l'un des nombreux substrats directs de mTORC2. Les processus régulés à la hausse par la signalisation mTOR sont affichés en rouge ; ceux qui sont régulés à la baisse par la signalisation mTOR sont affichés en bleu.

D'autres études ont également trouvé un effet positif de la rapamycine sur la durée de vie. Chen et al. trouvé que la rapamycinea diminué le taux de mortalité chez les hommes âgésSouris C57BL/6 (25). Anisimov et al. ont montré que la rapamycine prolonge la durée de vie maximale (durée de vie moyenne des 10 derniers % survivants) chez une souche de souris à courte durée de vie et sujette aux tumeurs (FVB/N HER-2/neu transgénique) (26). Bien que cette étude fournisse des preuves solides que la rapamycine peut être bénéfique dans le cadre du cancer, le choix de la souche rend difficile la séparation des effets anticancéreux du vieillissement en soi. Cependant, la rapamycine prolonge également la durée de vie des souris 129/Sv, une souche consanguine avec une durée de vie et une incidence tumorale plus typiques (27). Fait impressionnant, 22,9 % des souris traitées sont restées en vie à la mort du dernier animal témoin.

Prises ensemble, ces observations font de la rapamycine le candidat le mieux pris en charge pour un médicament de longévité des mammifères. La compréhension de son mécanisme d'action a le potentiel d'offrir un aperçu de la nature du processus de vieillissement sous-jacent et peut conduire à de nouvelles approches thérapeutiques pour alléger le fardeau des maladies liées à l'âge. Cependant, le mécanisme expliquant les effets anti-vieillissement de la rapamycine n'est pas encore clair (tableau 2).

Mécanismes potentiels d'allongement de la durée de vie par la rapamycine

Effets anticancéreux. Le cancer est la cause la plus fréquente de décès chez les souris de laboratoire, et la rapamycine est un médicament anticancéreux. Par conséquent, il reste possible que l'allongement de la durée de vie par la rapamycine soit secondaire à la suppression tumorale et non lié au processus de vieillissement sous-jacent. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles nous ne privilégions pas ce modèle. Premièrement, les premières expériences reliant l'inhibition de la rapamycine et de mTOR à la longévité ont été réalisées dans des organismes principalement postmitotiques (vers et mouches) ou unicellulaires (levure) et donc non cancéreux. Deuxièmement, la rapamycine augmente la longévité maximale, confortant l'idée qu'elle ralentit de multiples pathologies liées à l'âge. Le ciblage d'une seule maladie ne devrait pas augmenter considérablement la durée de vie des individus les plus âgés d'un groupe, car les individus les plus âgés seront exposés à un risque très élevé pour la plupart ou toutes les causes de décès, à moins que le processus de vieillissement sous-jacent n'ait été reporté. Troisièmement, il a été démontré que la rapamycine retarde plusieurs changements liés à l'âge chez la souris, notamment la perte de la fonction des cellules souches (25), le déclin cognitif (28), la rétinopathie (29), l'accumulation d'altérations subcellulaires dans le myocarde, la dégénérescence du foie, l'hyperplasie de l'endomètre. , raideur des tendons et diminution de l'activité physique (30). De plus, la rapamycine est thérapeutique dans les modèles rongeurs d'hypertrophie cardiaque (31, 32) et de maladies neurodégénératives (33–35), des conditions qui affectent les humains vieillissants. Bien que la prévention du cancer joue clairement un rôle majeur dans le bénéfice de survie conféré par la rapamycine, il est important de comprendre que le cancer est une maladie liée à l'âge et que sa prévention est une conséquence attendue de toute thérapie qui ralentit le vieillissement.

Traduction. mTORC1, via S6K et 4E-BP, joue un rôle central dans la régulation de la traduction, et il convient de se demander si une synthèse protéique réduite en soi pourrait médier les effets de la rapamycine sur la longévité. Par exemple, la diminution du taux global de traduction pourrait permettre une meilleure fidélité lors de la synthèse et/ou soulager le stress sur les mécanismes qui dégradent les protéines erronées, mal repliées ou endommagées (36). En effet, des expériences sur S. cerevisiae, C. elegans et D. melanogaster ont démontré que la suppression ou l'inactivation médiée par l'ARNsi des sous-unités ribosomiques, S6K, ou des facteurs d'initiation de la traduction entraîne une augmentation de la durée de vie et la suppression de S6K1 prolonge la durée de vie chez les souris femelles, tandis que la suppression de 4E-BP bloque les effets prolongeant la vie de la restriction calorique (CR) chez les mouches (13, 37-40).

Des découvertes récentes remettent en question l'idée que la traduction en soi est la clé des avantages de l'inhibition TOR/mTOR. Alors que les souris femelles dépourvues de S6K1 ont une durée de vie prolongée, il n'y a aucun effet perceptible sur la traduction globale, du moins dans le muscle squelettique (41). De plus, la longue durée de vie des vers dépourvus d'un facteur clé d'initiation de la traduction peut encore être augmentée par la suppression de TOR, ce qui implique que des mécanismes distincts sont en jeu (38). De plus, l'extension de la durée de vie due à la suppression des facteurs d'initiation de la traduction dépend de daf-16, alors que l'extension de la durée de vie par l'épuisement de TOR, S6K ou des sous-unités ribosomiques ne l'est pas, ce qui indique à nouveau l'implication de plusieurs mécanismes distincts (12 , 37). Fait intéressant, la réduction du TOR à l'aide de l'ARNi ne parvient pas à prolonger davantage la durée de vie des vers mutants mange -2, un modèle de CR, malgré la suppression du taux déjà faible de synthèse des protéines de 49 % supplémentaires (37). De plus, l'inactivation du ver homologue de l'AMPK est suffisante pour supprimer l'allongement de la durée de vie chez les animaux dépourvus de S6K, apparemment sans affecter la traduction (16). De toute évidence, la relation entre la traduction et la longévité est plus complexe qu'initialement supposé

La traduction d'ARNm spécifiques peut influencer la durée de vie.

Alors que la perte complète de la fonction mTOR a un effet majeur sur la traduction générale, la rapamycine a un effet plus subtil, probablement parce qu'un sous-ensemble des fonctions de 4E-BP est résistant à la rapamycine (42, 43). La rapamycine et l'inhibition complète de mTOR suppriment de préférence la traduction des ARNm avec des motifs oligo-pyrimidines 5 'terminaux, suggérant un rôle potentiel de ces gènes dans la longévité (43, 44). Malgré la diminution de la synthèse globale des protéines, la CR chez les mouches améliore spécifiquement la traduction d'un sous-ensemble d'ARNm qui ont des UTR 5 'courts et moins structurés, y compris des gènes mitochondriaux codés par le noyau (40). Le substrat TOR 4E-BP est requis pour cet effet et pour l'extension de la durée de vie. Chez la levure dépourvue de sous-unités ribosomiques ou de TOR, l'extension de la durée de vie complète nécessite une traduction accrue d'un transcrit spécifique, GCN4 (45). L'expression de GCN4 est limitée par plusieurs ORF en amont qui séquestrent normalement les ribosomes qui se lient à l'ARNm. Dans des conditions de diminution de l'activité TOR ou d'abondance de grandes sous-unités ribosomiques, les ORF en amont sont plus fréquemment contournés pour initier la traduction de l'ORF GCN4. Ces exemples mettent en évidence des subtilités dans la régulation de la traduction que nous commençons seulement à apprécier.

Tableau 2 Effets de la rapamycine sur la longévité

Autophagie. Un autre effet de l'inhibition de mTOR qui a été lié à la longévité est l'induction de l'autophagie, un processus par lequel les cellules recyclent leurs protéines et leurs organites. L'autophagie permet aux cellules de survivre dans des conditions limitées en nutriments et est un mécanisme central par lequel les composants endommagés sont éliminés. Dans des conditions de suffisance en nutriments, mTOR phosphoryle et inhibe la kinase ULK1 initiatrice de l'autophagie (46). L'inactivation des gènes impliqués dans l'autophagie diminue la durée de vie de la levure (chronologique), de C. elegans et de la drosophile, et la promotion de l'autophagie dans le système nerveux de la mouche prolonge la durée de vie (47–49). De plus, l'autophagie est nécessaire pour l'extension par la rapamycine de la durée de vie chronologique de la levure (47) et pour l'extension de la durée de vie par CR ou l'inhibition génétique de la signalisation mTOR chez les vers (50).

Chez les mammifères, l'autophagie semble également jouer un rôle important dans le processus de vieillissement. Plus dramatiquement, l'induction de l'autophagie est suffisante pour rajeunir l'histologie et la fonction du foie des souris âgées (51). De plus, l'autophagie semble être régulée positivement chez les souris CR et médier certains des effets bénéfiques d'un régime CR sur le cœur, le foie et les reins (52–54). Les cellules de souris naines Snell à longue durée de vie montrent également des signes d'augmentation de l'autophagie (55).Je cardiomyocytesisolés de souris âgées ont une autophagie plus faible et présentent des défauts de manipulation du calcium, qui sont tous deux corrigés par une exposition à la rapamycine ex vivo (56). Cependant, une autophagie accrue peut ne pas toujours être bénéfique et peut en effet contribuer au phénotype pro-vieillissement des souris progéroïdes (57).

Fait intéressant, la rapamycine améliore le saignement nucléaire et la sénescence prématurée dans les cellules dérivées de patients atteints de Hutchinson Gilford progeria, un syndrome de vieillissement prématuré rare (58). La maladie résulte d'une variante mal orthographiée de la lamine A, appelée progérine, qui s'accumule dans une large mesure chez les patients et est également détectée en plus petites quantités au cours du vieillissement cellulaire normal (59, 60). La rapamycine semble stimuler la clairance de la progérine des cellules malades par autophagie et peut donc également limiter l'accumulation normale de progérine liée à l'âge. Dans l'ensemble, la régulation appropriée de l'autophagie est susceptible d'être un déterminant essentiel du vieillissement en bonne santé.

Figure 2 Le traitement chronique à la rapamycine perturbe mTORC2. (A) In vivo, les nutriments et les facteurs de croissance stimulent l'activité de mTORC1 et mTORC2, qui favorisent la croissance, le vieillissement et la sensibilité à l'insuline. (B) Un traitement aigu à la rapamycine inhibe la signalisation mTORC1, limite la croissance et favorise la longévité sans réduire la sensibilité à l'insuline. (C) Le traitement chronique par la rapamycine inhibe à la fois mTORC1 et mTORC2, limitant la croissance et altérant la signalisation de l'insuline, mais favorisant la longévité

Entretien des cellules souches. La rapamycine a un certain nombre d'effets intéressants sur la fonction des cellules souches. La signalisation hyperactive en amont de mTORC1 due à la suppression de Pten, la suppression de la sclérose tubéreuse 1 (Tsc1) ou l'activation constitutive de l'AKT réduit le nombre et la capacité fonctionnelle des CSH (61-63). Le traitement à la rapamycine peut restaurer une capacité d'auto-renouvellement normale dans une sous-population de CSH de souris présentant un stress oxydatif spontanément élevé et une capacité fonctionnelle réduite (64). Plus récemment, Chen et al. ont noté que l'activité de mTORC1 est élevée dans les CSH dérivées de souris âgées, qui présentent des déficits fonctionnels rappelant ceux causés par la suppression de Tsc1 (25). La rapamycine a restauré la capacité fonctionnelle des CSH de souris âgées et a stimulé la réponse immunitaire au virus de la grippe. La rapamycine augmente également l'auto-renouvellement des cellules souches intestinales via l'inhibition de mTORC1 dans les cellules de Paneth adjacentes, similaires aux effets observés chez les animaux CR (65). De plus, la rapamycine améliore la reprogrammation des cellules somatiques pour générer des cellules souches pluripotentes induites, suggérant une promotion générale de la fonction des cellules souches (66). D'autre part, la rapamycine altère la pluripotence, réduit la prolifération et favorise la différenciation dans les cellules souches embryonnaires humaines (67, 68). Dans les cellules souches embryonnaires de souris, l'expression des marqueurs de pluripotence est plus résistante au traitement à la rapamycine, mais la taille et la prolifération des cellules sont toujours réduites et la différenciation est améliorée (67, 69). Curieusement, la rapamycine épuise les cellules initiatrices de la leucémie et inhibe à la fois les capacités d'auto-renouvellement et de différenciation des cellules souches dérivées de l'hémangiome infantile, suggérant un effet protecteur contre les cellules souches cancéreuses (61, 70). Pris ensemble, ces résultats suggèrent que la rapamycine module le comportement des cellules souches et favorise généralement la rétention de la « soucheté » et un phénotype plus jeune dans les types de cellules souches adultes qui ont été étudiés.

en tant qu'immunosuppresseur ne doit pas être négligé lorsqu'il s'agit de longévité.

Chronique,l'inflammation de bas grade est une caractéristique du vieillissement, et presque toutes les maladies chroniques ont une composante inflammatoire (71). Une discussion complète des effets immunologiques de la rapamycine dépasse le cadre de cette revue, et le sujet a été traité ailleurs (72). Il est important de noter que le médicament a des effets à la fois positifs et négatifs sur l'immunité innée et adaptative, avec un résultat net plus complexe que la simple suppression immunitaire, comme en témoigne sa capacité à améliorer l'immunisation des souris âgées contre le virus de la grippe (25). mTORC2-mécanismes dépendants. Malgré la haute spécificité de la rapamycine pour mTORC1 lors d'un traitement aigu, une exposition chronique peut également inhiber mTORC2. Cet effet a été observé pour la première fois dans certaines lignées cellulaires cultivées (73), et nous avons récemment montré qu'il se produit également in vivo dans plusieurs tissus, notamment le foie, les muscles et les tissus adipeux (voir la figure 2). On ignore actuellement si l'inhibition de mTORC2 joue un rôle dans les effets pro-longévité de la rapamycine. Les souris femelles dépourvues de S6K1 et les souris femelles Mtor plus /–Mlst8 plus /– vivent apparemment longtemps en raison d'altérations de la signalisation dépendante de mTORC1-, mais les données de C. elegans suggèrent que l'inhibition de mTORC2 peut également favoriser la longévité ( 21, 74). Fait intéressant, l'extension de la durée de vie par la perturbation de mTORC1 chez les vers nécessite la peau-1 (l'homologue du NRF1/2 de mammifère) et daf-16 (l'homologue des FOXO de mammifère), deux facteurs de transcription qui contrôlent les gènes impliqués dans défenses contre le stress. Cependant, l'extension de la durée de vie par la rapamycine ou la perturbation mTORC2 ne nécessite que SKN-1. Conformément au rôle joué par les défenses générales contre le stress dans les bienfaits de la rapamycine, les vers et les mouches dont la fonction TOR est altérée sont résistants au stress, et l'induction des gènes cibles NRF1/2 et FOXO a été détectée dans le foie de souris traitées avec de la rapamycine (2 mg /kg par jour pendant deux semaines) (20, 21).