Chercheur.es principaux
de l'Institut du cancer
Rosalind et Morris
Goodman
Le laboratoire du professeur Lawrence Kazak se concentre sur:
- Les mécanismes moléculaires et cellulaires qui contrôlent l'équilibre énergétique et comment la dysfonction de ces processus conduit aux maladies accélérées par l'obésité.
- L'élucidation des gènes responsables du cancer intrinsèques aux cellules cancéreuses et des métabolites microenvironnementaux qui favorisent la croissance et la métastase du cancer du sein induites par l'obésité.
- La régulation moléculaire de l’apport alimentaire par la communication entre les tissus adipeux et le cerveau.
Le laboratoire de Kazak étudie le métabolisme énergétique de l'hôte dans la physiologie et la maladie. Nous combinons des outils biochimiques et génétiques avec la génétique murine pour définir les voies clés qui contribuent à l'équilibre énergétique, au syndrome métabolique et aux troubles chroniques associés à la dysfonction métabolique. Cela inclut l'obésité, le diabète et le cancer.
Définir les mécanismes moléculaires qui régulent l'équilibre énergétique et les maladies accélérées par l'obésité dans les tissus adipeux.
Les adipocytes thermogéniques sont un type spécialisé de cellules adipeuses qui libèrent l'énergie des macronutriments sous forme de chaleur, dans un processus appelé thermogenèse. Comprendre pleinement les mécanismes moléculaires qui favorisent la thermogenèse des adipocytes est essentiel pour déterminer si la thermogenèse des tissus adipeux peut être exploitée pour améliorer la santé cardiométabolique. Pendant de nombreuses années, la vision conventionnelle fut que la protéine effectrice ainsi que la voie de signalisation en amont qui déclenche la thermogenèse sont connues. Cependant, les travaux récents du groupe du Dr. Kazak et d'autres ont montré que la thermogenèse est plus complexe. Les adipocytes peuvent utiliser plusieurs voies thermogéniques parmi différentes cellules à l'intérieur d'un tissu et même en parallèle à l'intérieur de la même cellule. Le laboratoire Kazak a découvert des protéines clés qui régulent la dépense énergétique des adipocytes. Les efforts actuels de son laboratoire visent à utiliser des approches biochimiques et structurales pour définir les bases moléculaires qui contrôlent leur activité. Ces approches réductionnistes sont toujours intégrées à la génétique murine pour définir la pertinence physiologique des mécanismes de régulation moléculaires identifiés.
Recherche
en cours
Plus de 60 % des adultes et 30 % des enfants au Canada sont en surpoids ou obèses, ce qui impose un fardeau économique considérable en raison d'une multitude de complications liées à l'obésité telles que le diabète de type 2, les maladies cardiovasculaires et le cancer. Bien que la perte de poids réduise les facteurs de risque liés à l'obésité, l'augmentation de la dépense énergétique (par exemple, par l'activité physique) améliore la santé métabolique, même en l'absence ou avec peu de perte de poids. Les cellules adipeuses peuvent augmenter la dépense énergétique en dissipant l'énergie sous forme de chaleur, dans un processus appelé thermogenèse. Stimuler la thermogenèse des adipocytes n'a pas encore donné lieu à une pharmacothérapie à la fois sûre et efficace. Cependant, des études cliniques prospectives initiales ont montré que l'augmentation de l'activité métabolique de la graisse thermogénique est associée à une meilleure sensibilité à l'insuline et à une meilleure santé cardioméetabolique, même sans perte de poids. Par conséquent, une compréhension plus approfondie des voies produisant de la chaleur à partir des macronutriments pourrait enfin débloquer la stratégie thérapeutique optimale. L'approche de notre laboratoire pour exploiter la thermogenèse des tissus adipeux à des fins thérapeutiques consiste à définir les contributions de toutes les voies de dissipation d'énergie.
Les adipocytes bruns sont riches en mitochondries, qui sont les principaux sites de la respiration cellulaire. Il est important de noter que l'oxydation des macronutriments est couplée à la synthèse d'un nombre fixe de molécules d'ATP. Cette contrainte peut être contournée pour la thermogenèse en dissociant l'oxydation des macronutriments de la synthèse d'ATP ou en augmentant le renouvellement de l'ATP. Dans le premier cas, l'UCP1 favorise la fuite de protons de l'espace intermembranaire mitochondrial vers la matrice. En conséquence, les souris Ucp1-/- ont été l'outil principal pour étudier la thermogenèse. Leur sévère altération thermogénique a mené à l'opinion conventionnelle selon laquelle UCP1 est la seule protéine effectrice de la thermogenèse sans frisson. Cependant, la thermogenèse peut également être favorisée en couplant l'oxydation des macronutriments à la synthèse d'ATP, en soutenant des cycles futiles qui accélèrent le renouvellement de l'ATP. L'une de ces voies est le cycle futile de la créatine, où le modèle actuel suppose que la créatine subit un cycle de phosphorylation/déphosphorylation. Nous avons identifié deux protéines effectrices clés localisées dans les mitochondries des adipocytes thermogéniques, qui sont nécessaires à la thermogenèse via le cycle futile de la créatine : la créatine kinase B (CKB) et la phosphatase alcaline non spécifique tissulaire (TNAP).
Contrôle métabolique au détriment de la fonction protéique
Les métabolites cellulaires régulent divers processus biologiques en relayant des signaux physiologiques aux protéines afin de réguler leur fonction. Notre laboratoire utilise des adipocytes générant de la chaleur (thermogéniques) afin de comprendre comment les protéines qui contrôlent ce processus sont mises en marche pour convertir l’énergie chimique en chaleur. Plus spécifiquement, nous cherchons à comprendre la régulation aigue de la thermogénèse par le cycle futile de la créatine. Nous employons des approches structure-fonction pour comprendre comment l’hydrolyse de la phosphocréatine par TNAP est sujette à la régulation allostérique. En intégrant des approches structurales (microscopie cryo-électronique et cristallographie à rayon-X) avec des essais biochimiques fonctionnels, nos collaborateurs et nous-même avons identifié des résidus clés sur TNAP qui coordonnent la liaison d’un métabolite lipolytique pour contrôler son activité. Cette régulation fonctionnelle de TNAP ne comporte pas seulement des implications importantes pour la thermogénèse, mais pourrait également jouer un rôle critique dans la fonction de TNAP dans le contexte de la minéralisation osseuse. Nous combinons nos efforts avec ceux d’épidémiologistes moléculaires afin d’identifier des patients portant des variants codants à l’intérieur de la poche de liaison allostérique de TNAP, représentant le premier lien entre la régulation des métabolites de l’activité de TNAP et la maladie humaine.
- Contribution quantitative de la thermogénèse UCP1-dépendante et -indépendante in vivo. L’idée que la thermogénèse est dépendante de UCP1 dans les adipocytes, ce qui découle largement de travaux utilisant des souris Ucp1 germinal knockout (UCP1-/-). Si la souris Ucp1-/- a permis l’avancement de nos connaissances au sujet de la thermogénèse des adipocytes, il existe des limitations majeures à son utilisation puisque celle-ci acquiert des changements secondaires au-delà de la perte d’UCP1 qui pourraient limiter la capacité de toute voie thermogénique. Pour cette raison, le dogme dans le domaine est que la thermogénèse indépendante d’UCP1 est seulement pertinente en l’absence d’UCP1. Notre laboratoire a entrepris une approche fondamentalement unique afin de mettre à l’épreuve cette idée, permettant la première mesure exhaustive de la thermogénèse UCP1-dépendante et -indépendante dans les adipocytes in vivo. De manière spécifique, nous avons généré des modèles de souris inductibles et sélectifs au gras Ucp1 simple knockout, Ckb simple knockout et Ucp1/Ckb double knockout. Quantitative contribution of UCP1-dependent and -independent thermogenesis in vivo. The idea that thermogenesis is dependent on UCP1 within adipocytes, which is largely based on work from germline Ucp1 knockout (Ucp1-/-) mice. While the Ucp1-/- mouse has advanced our understanding of adipocyte thermogenesis, there are major limitations to its use because it acquires secondary changes beyond UCP1 loss that would limit the capacity of any thermogenic pathway. Because of this, the dogma in the field is that UCP1-independent thermogenesis is only relevant in the absence of UCP1. Our lab has taken a fundamentally unique approach to testing this tenet, enabling the first comprehensive measurements of UCP1-dependent and -independent thermogenesis in adipocytes in vivo. Specifically, we have constructed fat-selective inducible single Ucp1, single Ckb and double Ucp1/Ckb knockout mouse models, which show that maximal adipocyte thermogenesis requires parallel activation of UCP1 and CKB.
- Contrôle de l’équilibre énergétique par la signalisation GPCR dans les adipocytes. La noradrénaline stimule la signalisation des récepteurs α-adrénergique et β-adrénergique (α-AR et β-AR, respectivement) et est l’activateur physiologique de la thermogénèse des tissus adipeux. La signalisation β-AR est celle qui a reçu le plus d’attention dans le domaine de la thermogénèse. Cependant, puisqu’il est connu depuis des décennies que la réponse thermogénique complète requiert la signalisation du α-AR et β-AR, l’attention majeure portée sur la signalisation du β-AR a laissé la composante α-AR-dépendante largement sous-explorée dans le domaine de la biologie des adipocytes. Nous avons trouvé que la signalisation α-AR potentialise la voie β-AR pour induire un niveau plus élevé de dissipation d’énergie in vivo que ce qui est produit par l’une ou l’autre des voies de signalisation seules. L’activation α-AR et β-AR induit la signalisation Gαq et Gαs, respectivement. Les travaux actuels dans le laboratoire comprennent la construction d’un modèle de souris chimiogénétique (DREADDs, designer receptors exclusively activated by designer drugs) où la signalisation Gαq peut être activée de façon sélective dans les adipocytes in vivo. Nos données préliminaires montrent que deux semaines d’activation combinée de Gαq et Gαs sont suffisantes pour éliminer complètement l’obésité générée par une diète riche en gras sur une durée de quatre mois. Nous définissons maintenant les fondements de cette réponse et travaillons vers des thérapies qui pourraient cibler côté « dépense énergétique » de l'équation du bilan énergétique. Control of energy balance by GPCR signaling in adipocytes. Noradrenaline stimulates α-adrenergic- and β-adrenergic receptor (α-AR and β-AR, respectively) signalling, and is the physiological activator of adipose tissue thermogenesis. β-AR signalling has received the most attention in the thermogenesis field. However, given that the full thermogenic response of adipocytes to noradrenaline has been understood for decades to require α-AR and β-AR signaling, the large focus on β-AR signaling has left the α-AR-dependent component a vastly under-explored area of adipocyte biology. We identified that α-AR signalling potentiates the β-AR pathway to induce a higher level of energy dissipation in vivo than activation of either signaling pathway alone. α-AR and β-AR activation triggers Gαq and Gαs signalling, respectively. Current efforts in the lab include the construction of a chemogenetic mouse model (DREADDs, designer receptors exclusively activated by designer drugs) where Gαq-signalling can be selectively activated in adipocytes in vivo. Our preliminary data show that two weeks of combined Gαq and Gαs activation is sufficient to completely extinguish obesity that had been generated by high fat diet feeding over 4 months. We are now defining the molecular underpinnings of this response and working towards therapies that can target the energy expenditure side of the energy balance equation.
- Contrôle métabolique au détriment de la fonction protéique Les métabolites cellulaires régulent divers processus biologiques en relayant des signaux physiologiques aux protéines afin de réguler leur fonction. Notre laboratoire utilise des adipocytes générant de la chaleur (thermogéniques) afin de comprendre comment les protéines qui contrôlent ce processus sont mises en marche pour convertir l’énergie chimique en chaleur. Plus spécifiquement, nous cherchons à comprendre la régulation aigue de la thermogénèse par le cycle futile de la créatine. Nous employons des approches structure-fonction pour comprendre comment l’hydrolyse de la phosphocréatine par TNAP est sujette à la régulation allostérique. En intégrant des approches structurales (microscopie cryo-électronique et cristallographie à rayon-X) avec des essais biochimiques fonctionnels, nos collaborateurs et nous-même avons identifié des résidus clés sur TNAP qui coordonnent la liaison d’un métabolite lipolytique pour contrôler son activité. Cette régulation fonctionnelle de TNAP ne comporte pas seulement des implications importantes pour la thermogénèse, mais pourrait également jouer un rôle critique dans la fonction de TNAP dans le contexte de la minéralisation osseuse. Nous combinons nos efforts avec ceux d’épidémiologistes moléculaires afin d’identifier des patients portant des variants codants à l’intérieur de la poche de liaison allostérique de TNAP, représentant le premier lien entre la régulation des métabolites de l’activité de TNAP et la maladie humaine. Metabolite control over protein function. Cellular metabolites regulate diverse biological processes by relaying physiological signals on to proteins to regulate their function. Our lab is using heat-generating (thermogenic) adipocytes to understand how the proteins that control this process are switched on to convert chemical energy into heat. Specifically, we are focused on understanding the acute regulation of thermogenesis by the futile creatine cycle. We are using structure-function approaches to understand how phosphocreatine hydrolysis by TNAP is subject to allosteric regulation. By integrating structural approaches (cryo-electron microscopy and X-ray crystallography) with functional biochemical assays, we and our collaborators have identified key residues on TNAP that coordinate binding of a lipolytic metabolite to control its activity. This functional regulation of TNAP not only has important implications for thermogenesis, but may play a critical role in TNAP function in bone mineralization. We are combining our efforts with molecular epidemiologists to identify patients harboring coding variants within the allosteric binding pocket of TNAP, representing the first link between metabolite regulation of TNAP activity and human disease.
- Professeur associé, Department of Biochemistry, Institut du cancer Rosalind et Morris Goodman, Université McGill
Équipe
- Chloe Guo Étudiant.e de premier cycle Undergraduate Student
Abhirup Shaw Candidat.e postdoctoral.e Postdoctoral Fellow 
Bozena Samborska Assistant.e de recherche Research Assistant 
Faiz Hussain Étudiant.e au doctorat PhD Student 
Janane Rahbani Candidat.e postdoctoral.e Postdoctoral Fellow 
Jonathan Cheng Étudiant.e de premier cycle Undergraduate Student 
Maria Delgado Martin Étudiant.e au doctorat PhD Student 
Maria Guerra Martinez Étudiant.e à la maîtrise MSc Student 
Mina Ersin Étudiant.e à la maîtrise MSc Student 
Mouna Tlili Candidat.e postdoctoral.e Postdoctoral Fellow 
Qiaoqiao Zhang Étudiant.e de premier cycle Undergraduate Student 
Zhengrui Chen MSc MSc Student
Découvertes majeures
- 2020 UCP1-independent thermogenesis.
- 2020 Creatine metabolism: energy homeostasis, immunity and cancer biology.
- 2021 Creatine kinase B controls futile creatine cycling in thermogenic fat.
- 2022 ADRA1A-Gαq signalling potentiates adipocyte thermogenesis through CKB and TNAP.
- 2022 Creatine transport and creatine kinase activity is required for CD8+ T cell immunity.
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