A fresh look at AMPK signaling: multiple functions of novel interacting proteins
Nouveau regard sur la signalisation AMPK : multiples fonctions de nouveaux interacteurs
Résumé
AMP-activated protein kinase (AMPK) is a central energy sensor and regulator of cellular energy state, but the AMPK signaling network is still incompletely understood. Two earlier non-biased screens for AMPK interaction partners and substrates performed in the laboratory identified several candidate proteins, but functional and physiological roles remained unclear. Here we characterized the functional relationship of AMPK with four different protein interaction partners: gluthatione S-transferases (GSTP1 and GSTM1), fumarate hydratase (FH), an E3 ubiquitin-ligase (NRDP1), and vesicle-associated membrane proteins (VAMP2 and VAMP3). Each of these interaction partners seems to have a different function in AMPK signaling, either acting up- or down-stream of AMPK. GSTP1 and GSTM1 can contribute to AMPK activation by facilitating S-glutathionylation of AMPK under mildly oxidative conditions. This non-canonical regulation suggests AMPK as a sensor of cellular redox state. Mitochondrial FH was identified as the only clear AMPK downstream substrate, but surprisingly the phosphorylation site is present in the mitochondrial targeting prepeptide, possibly affecting mitochondrial import. NRDP1, whose expression as a full-length soluble protein was achieved here for the first time, is phosphorylated by AMPK only at low levels. The interaction does neither serve for AMPK ubiquitinylation, but rather affects NRDP1 turnover. Finally, interaction of VAMP2/3 with AMPK does not involve phosphorylation or activation events of one of the partners. Instead, we propose VAMP2/3 as scaffolding proteins that recruit AMPK to exocytotic vesicles which could favor phosphorylation of vesicular AMPK substrates for exocytosis. Collectively, our results add some new elements to the AMPK signaling network, suggesting that it is much more complex than anticipated. In addition to upstream kinases and downstream substrates, regulation of AMPK signaling occurs by secondary protein modifications other than phosphorylation, by effects on protein turnover, and probably also by specific subcellular recruitment of AMPK.
La protéine kinase activée par AMP (AMPK) est un senseur et régulateur central de l'état énergétique cellulaire, mais ces voies de signalisation ne sont pour le moment que partiellement comprises. Deux criblages non-biaisés pour la recherche de partenaires d'interaction et de substrats d'AMPK ont précédemment été réalisés dans le laboratoire. Ces derniers ont permis l'identification de plusieurs candidats (protéines), mais leur rôle fonctionnel et physiologique n'était pas encore établi. Ici nous avons caractérisé la fonction de la relation entre AMPK et quatre partenaires d'interaction : gluthation S-transferases (GSTP1 and GSTM1), fumarate hydratase (FH), l'E3 ubiquitine-ligase (NRDP1), et les protéines associées à la membrane (VAMP2 and VAMP3). Chacune de ces interactions parait avoir un rôle différent dans la signalisation AMPK, agissant en amont ou en aval de la protéine AMPK. GSTP1 et GSTM1 contribueraient à l'activation d'AMPK en facilitant la S-glutathionylation d'AMPK en conditions oxydatives moyennes. Cette régulation non-canonique suggère que l'AMPK peut être un senseur de l'état redox cellulaire. FH mitochondrial est l'unique substrat AMPK clairement identifié. Etonnamment le site de phosphorylation se trouve dans le peptide signal mitochondrial, ce qui pourrait affecter l'import mitochondrial. NRDP1, protéine pour laquelle nous avons pour la première fois développé un protocole de production de la protéine soluble, est faiblement phosphorylée par l'AMPK. L'interaction ne sert pas à l'ubiquitination d'AMPK, mais affecte le renouvellement de NRDP1. Finalement, l'interaction de VAMP2/3 avec AMPK n'implique pas d'évènement de phosphorylation ou d'activation d'un des partenaires. Nous proposons un mécanisme de recrutement d'AMPK par VAMP2/3 (" scaffold ") au niveau des vésicules en exocytose. Ce recrutement favoriserait la phosphorylation de substrats de l'AMPK à la surface des vésicules en exocytoses. Une fois mis en commun, nos résultats enrichissent les connaissances sur les voies de signalisation AMPK, et suggèrent une grande complexité de ces dernières. Plus que les kinases en amont et des substrats en aval, la régulation de la signalisation d'AMPK se fait via des modifications secondaires autres que la phosphorylation, via des effets sur le renouvellement de protéines, et probablement via un recrutement spécifique de l'AMPK dans certains compartiments cellulaires.