2.1-Métabolisme énergétique
Soumis à un stress pathologique tel qu’une surcharge hémodynamique, le cœur subit un remodelage, qui va également provoquer des modifications fonctionnelles et métaboliques pour s’adapter à la demande énergétique croissante des cardiomyocytes.
Cependant malgré de nombreux travaux, la réponse cardiaque à un stress pathologique reste en partie inconnue et sujette à débats. De manière générale il semble que dans la phase compensée hypercinétique, la fonction mitochondriale ne soit pas altérée et que la biogenèse mitochondriale suive l’hypertrophie cardiaque (Rimbaud et al 2009). De même, un changement d’utilisation de substrats vers les hydrates de carbone aux dépens des acides gras a été souvent observé mais ne semble pas systématique. Il semble que l’adaptation du cœur à une surcharge de travail dépende de l’origine, de la durée et de l’intensité du stress (pour revue voir Rimbaud et al 2009).
Les mécanismes d’adaptation du myocarde permettent également de diminuer la charge de travail par une minimisation de la demande énergétique et une augmentation de l’efficacité de contraction via l’expression ventriculaire de facteurs diurétiques et vasorelaxants tels que l’ANF (Atrial natriuretic factor) et le BNP (Brain
natriuretic peptide), normalement sécrétés chez l’adulte par les oreillettes (Mercadier et al., 1987).
‐Introduction‐V‐ Le cœur insuffisant est caractérisé par une dilatation ventriculaire qui résulte de l’étirement et de la croissance excentrique des sarcomères, une fibrose et des défauts de vascularisation, avec notamment une diminution du flux sanguin et de la réserve coronaire (Maruyama et al., 1997). Les altérations de l’unité contractile et de la compliance cardiaque sont à l’origine d’une augmentation du volume systolique et d’un défaut de remplissage. Ces différents facteurs conduisent à la détérioration de la fonction cardiaque.
Le myocarde insuffisant présente un déficit de capacité oxydative, une déficience d’utilisation et de transfert énergétique vers les sites consommateurs d’ATP (pour revue (Ventura-Clapier et al., 2007)). En effet, les altérations de la contraction et de la relaxation cardiaque sont associées à une altération généralisée (expression et activité) du système créatine kinase (CK) avec les isoenzymes cytosolique et mitochondriale (pour revue (Dzeja et al., 2000; Ingwall & Weiss, 2004; Ventura-Clapier et al., 2004), au profil de la réexpression des isoformes fœtales MB- CK (Vatner & Ingwall, 1984; Younes et al., 1985). De plus, les mécanismes des voies énergétiques lors de l’hypertrophie pathologique vont être modifiés pour favoriser le métabolisme glucidique au dépend de celui des acides gras.
Il a également été montré d’autres altérations de la fonction mitochondriale telles que l’expression et l’activité de la citrate synthase et de celles d’autres enzymes du cycle de Krebs, ainsi que des capacités oxydatives (OXPHOS), sont
diminuées dans le myocarde insuffisant (Degens et al., 2006)( pour revue (Ventura-
Clapier et al., 2007)). Les fonctions mitochondriales sont altérées dans de nombreux modèles d’insuffisance cardiaque que ce soit chez le chien (Marin-Garcia et al., 2001; Sharov et al., 1998), chez le rongeur (De Sousa et al., 1999; Garnier et al., 2003; Javadov et al., 2005; Jullig et al., 2008) ou chez l’homme (Garnier et al., 2009; Mettauer et al., 2006; Sharov et al., 2000), et sont corrélées avec les altérations architecturales, provoquant des perturbations des échanges énergétiques qui participent directement à la dysfonction contractile (Joubert et al., 2008). D’un point de vue morphologique, les mitochondries présentent une hétérogénéité de forme et de taille et un réseau fragmenté.
Le myocarde insuffisant présente également une augmentation de l’expression des gènes impliqués dans l’apoptose, le stress oxydant et l’inflammation et une production accrue des espèces réactives de l’oxygène (ROS), qui contribue
ainsi à accroitre les dommages mitochondriaux (ADNmt, enzymes et cardiolipides), la
susceptibilité à l’apoptose et la fibrose.
2.2-Altérations de la biogénèse mitochondriale
L’ensemble des données actuelles tend à démontrer que la dysfonction énergétique du cœur insuffisant résulte en partie de l’altération de toute la cascade transcriptionnelle contrôlant la biogénèse mitochondriale, qui est altérée dans le cœur insuffisant (Figure 31).
Figure 31 : Schématisation de l’activation de la biogenèse mitochondriale dans le cœur normal, hypertrophié et défaillant. (Source : Rimbaud, 2009)
En effet, la diminution de l’expression cardiaque de PGC-1α décrite pour la première fois dans un modèle expérimental par sténose de l’aorte thoracique chez le rat (Garnier et al., 2003) puis retrouvé dans de nombreux modèles animaux et chez l’homme (Garnier et al., 2009; Sebastiani et al., 2007; Witt et al., 2008). De plus, une diminution des facteurs de transcription activés par PGC-1α tels que ERR α (Sihag et
‐Introduction‐V‐ altération de la biogénèse mitochondriale favorise la perte des capacités mitochondriales.
En conclusion, le métabolisme et plus particulièrement la biogénèse mitochondriale apparaissent comme essentiel dans l’adaptation musculaire à une surcharge de travail, par un maintien des capacités de production et de transfert d’énergie.
Sachant que les stress pathologiques s’accompagnement le plus souvent d’un remodelage de l’architecture cellulaire, il est donc particulièrement intéressant d’étudier la corrélation pouvant exister entre l’architecture cellulaire et la plasticité mitochondriale.
OBJECTIFS DE L’ETUDE
Comme nous l’avons vu, la mitochondrie joue un rôle clef dans de nombreux processus cellulaires, en particulier dans les cellules du muscle cardiaque et squelettique. Une de ses propriétés, sa capacité à fusionner et à fissionner, est étudiée depuis une dizaine d’années dans de nombreux types cellulaires, mais de manière étonnante, ce n’est que récemment que ces processus ont commencé à être étudiés dans les cellules musculaires striées qui pourtant possèdent une grande quantité de mitochondrie (Hom & Sheu, 2009b) . Par ailleurs, la mitochondrie joue un rôle primordial dans les phénomènes d’adaptation des cellules musculaires striées pour répondre aux besoins de l’organisme, notamment en réponse à un stress ou à un exercice d’endurance. L’adaptation de ces cellules à une surcharge de travail est permise par l’activation de processus intervenant dans la plasticité mitochondriale. Notre hypothèse est donc que la dynamique mitochondriale pourrait jouer un rôle majeur dans cette adaptation.
Ces dernières années, la protéine OPA1 (Optic atrophy type 1) a été identifiée comme étant l’un des acteurs majeurs de la dynamique mitochondriale en modulant la fusion des membranes internes, et plus largement la fonction mitochondriale (pour revue (Belenguer & Pellegrini, 2012; Landes et al., 2010b)). Par ailleurs, elle participe activement au contrôle-qualité des mitochondries, au métabolisme
mitochondrial, à la stabilité de l’ADNmt et à la sensibilité à l’apoptose. Cette dynamine
GTPasique apparait essentielle à l’architecture et au maintien des fonctions mitochondriales, car son absence totale induit une létalité embryonnaire (Alavi et al., 2007).
Bien que la protéine OPA1 soit fortement exprimée dans le cœur, très peu d’études ont été menées pour comprendre son rôle dans ce tissu. Pour l’étudier,
nous avons décidé d’utiliser un modèle murin hétérozygote pour Opa1 (Opa1+/-).
Chez ces souris, nous avons regardé l’impact de cette mutation sur la fonction cardiaque, mais aussi sur l’organisation et la morphologie des mitochondries, ainsi
‐Objectifs‐ différentes approches de physiologie, de microscopie, de biochimie et de biologie moléculaire.
Une seconde question qui nous intéressait était de savoir l’implication d’OPA1 dans la réponse à un stress physiologique ou pathologique des cellules musculaires striées, et ainsi étudier le lien éventuel entre OPA1 et la mise en place de la biogénèse mitochondriale. En effet, lors d’une surcharge de travail, le myocarde et le muscle squelettique s’adaptent différemment, soit en s’hypertrophiant (pour le cœur), soit en sur-activant la biogénèse mitochondriale (pour le muscle squelettique), ceci dans le but de maintenir une fonction contractile adéquate. Dans les deux cas, la dynamique mitochondriale pourrait jouer un rôle dans la plasticité mitochondriale
nécessaire à l’adaptation musculaire. Nous avons donc soumis notre modèle Opa1+/-
à différentes formes d’hypertrophie physiologique (exercice d’endurance) ou pathologique (sténose de l’aorte), et analysé les effets de la délétion d’OPA1 sur la réponse à ces stress au niveau de la fonction mitochondriale des muscles striés, de la fonction cardiaque, et des capacités d’entraînement des animaux via des techniques d’exploration fonctionnelle, de biochimie et de biologie moléculaire.
‐Matériels & Méthodes‐I‐
MATERIELS & METHODES
Chapitre I : MODELE ANIMALAfin de comprendre l’importance de la dynamique mitochondriale dans l’architecture et la mise en place du réseau mitochondrial, et dans l’adaptation des mitochondries à un exercice physique, nous avons utilisé un modèle murin transgénique pour la protéine de fusion OPA1. Les avantages d’un tel modèle sont nombreux, dont la rapidité et l’efficacité de reproduction des souris. Toutefois, il ne nous faut pas oublier que l’invalidation totale ou partielle d’un gène, dans le but de provoquer la perte de fonction de la protéine, ne va pas induire que des effets spécifiques. Les observations faites par la suite ne seront donc pas forcément dues uniquement à une modification du rôle de la protéine, mais pourront correspondre à des compensations ou à d’autres adaptations induites par des voies de signalisation touchées.