Le cytoplasme des adipocytes bruns et beiges est enrichi en mitochondries, ce qui leur donne leur couleur brune ou beige et leur nom. Il est théoriquement admis que les adipocytes beiges ont moins de mitochondries que les bruns. Plus petits que les adipocytes blancs (15 à 60 µm de diamètre), ils ont de nombreuses petites gouttelettes lipidiques qui sont « brûlées », ce qui produit de la chaleur g ce l ac i i de la p o ine UCP1113
. Historiquement appelé thermogénine, UCP1 appartient à la famille des UCPs qui comprend 6 membres114,115. Alors UCP1 e e p im e ni emen dan le TA b n e beige, e UCP3 n e exprimée que dans le muscle squelettique, le muscle cardiaque, et les TA, UCP2 a une expression ubiquitaire. UCP2 et UCP3 ont un rôle dans la limitation de la production mitochondriale d e p ce ac i e de l o g ne 116 et contribuent, de mani e mino i ai e pa appo UCP1, a an po de p o on de pa e d a e de la membrane interne mitochondriale117 et au métabolisme basal chez l h main118
. Quant à eux, UCP4 et UCP5 sont principalement exprimés au niveau du système nerveux central au sein duquel ils joueraient un rôle protecteur contre les neurotoxines119. De a a cen on mon UCP5 e UCP6 a en principalemen l e po mi ochond ial d anion ino gani e de pe lfi e e thiosulfate120. Ces canaux peuvent également transporter des dicarboxylates tels e le malona e, le mala e e le ci amala e, ain i e de l a pa a e. L UCP majoritairement décrit est UCP1. UCP1 a été découverte en 1978 par Heaton et al121 après des études préliminaires réalisées en 1969122,123 et 1976124. Séquencé en 1990125, le gène UCP1 code une protéine de 307 acides aminés organisés en 6 domaines transmembranaires entrecoupés de boucles. UCP1 comprend 3 domaines homolog e de 11 kDa o ne cen aine d acide amin 126, et appartient ainsi à la classe des transporteurs mitochondriaux Solute Carrier (SLC) 25A. UCP1 est décrit comme un canal ionique de 33 kDa qui permet un flux de protons H+ o ien pa le g adien ind i pa la chaine e pi a oi e, de l e pace in e - membranaire vers la matrice mitochondriale127. UCP1 représente 0.7 nmol/mg de
Figure 9 : Activation de la thermogenèse dans les adipocytes beiges et bruns par les catécholamines et les peptides natriurétiques
Les neurones du système nerveux sympathique libèrent des catécholamines de type norepinephrine
( E), - . C
(AC), AM , KA. , ( ) au récepteur . C
de (GC), GM ,
KG. L KA KG C 38 MA K, GC1 . C mitochondriogenèse et la transcription du gène UCP1. En parallèle, les PKA et PKG induisent la lipolyse et les acides gras libérés activent les canaux mitochondriaux UCP1. Ce dernier dissipe le gradient électrochimique de protons et augmente la libération de chaleur.
Source : Harms M. and Seale P. Brown and beige fat: development, function and therapeutic potential. Nature Medicine (19), 1252-1263 (2013)
protéines totales de la membrane interne mitochondriale de TA brun de hamster, soit 6 à 10% des protéines121. Comparativement, les 50 autres membres de la famille SLC25A ne sont pas exprimés à plus de 20 pmol/mg de protéines. De nombreuses études biochimiques ont suivi pour comprendre les mécanismes et les régulations de ce canal particulier127.
Lo d ne e po i ion a f oid, la oie -adrénergique des adipocytes bruns et beiges est activée par le système nerveux sympathique (voir figure 9). En conséquence, une cascade de signali a ion pa an pa l AMPc e la PKA cond i d ne pa la an c ip ion de l ARNm d UCP1 e d a e pa la lipolyse qui active le cana inac if d UCP1. La transcription d UCP1 est activée par de nombreux facteurs, se fixant tant sur son promoteur distal que proximal128. CREB se fixe sur le i e CRE d p omo e p o imal d UCP1, induisant directement sa transcription. En parallèle, il active également la transcription de DIO2 qui est impli dan l ac i a ion de la oie de ho mone h o dienne i pe en activer la tran c ip ion d UCP1 au niveau distal en se fixant via leur récepteur in acell lai e e l l men de g la ion TRE. La p38 MAPK an elle ac i e de nomb e effec e menan la an c ip ion d UCP1129
: acide rétinoïque, PGC1 , PRDM16, ATF2, CEBP / , D a e pa , les canaux UCP1 sont inhibés
pa la fi a ion de n cl o ide de pe p i e el e l ADP o le GDP n i e particulier en position centrale de la protéine. Les acides gras libérés lors de la lipolyse se fixent sur UCP1. Cette liaison déloge les purines par compétition directe ou par changement conformationnel ce qui lè e l inhibi ion e e c e le canal. La charge négative des acides gras facilite également le transport des protons H+130.
Les substrats énergétiques sont catabolisés par différents processus selon leur nature biochimique : glycolyse do da ion d gl co e, -oxydation des acides gras, cycle de Krebs (cycle d acide ica bo li e, c cle ci i e) d o da ion de l acétyl-CoA, Ce ac ion g n en de compo d i ha po en iel énergétique tels que le NADH,H+ et le FADH2. Les électrons sont transportés par
les différents complexes de la chaîne respiratoire mitochondriale, libéran l ne gie de g n a ion d n g adien lec ochimi e de p o on , , de pa e d a e de la membrane interne mitochondriale (voir figure 10). Ce g adien l e d ne pa d n g adien chimi e de pH de pa e d a e de la memb ane e d a e pa d potentiel électrique de cette membrane. Le NADH induit le pa age e l e pace
Figure 10 : Mécanismes moléculaires de la thermogenèse de non frissons
Un
mitochondriale. Cette dernière comprends 4 complexes protéiques qui transportent les électrons à haut potentiel énergétique provenant des composés réduits NADH,H+ et FADH2, tous deux produits
( , -oxydation, cycle de Krebs, .). L I ADH , ADH permet le transport de 4 protons. Le complexe II a une action Succinate coenzyme Q réductase, récupérant les électrons du FADH2. Le complexe III a une action Coenzyme Q cytochrome C réductase, et permet le transport de 4 protons. Le complexe IV a une action Cytochrome C oxydase, et permet le transport de 2 protons. Le coenzyme Q (ou ubiquinone) assure le transport des électrons entre le complexe I ou II et le complexe III, le cytochrome C entre le complexe III et le complexe IV. Le retour des protons dans la matrice mitochondriale est co A A
C 1
( ). L A ème
complexe protéique constituant les phosphorylations oxydatives.
inter-membranaire de 10 protons, le FADH2 de 6. Enchâssée dans la membrane
interne, l ATP n ha e co ple la n h e d ATP pa i d ADP e de pho pha e inorganique au transfert de 4 protons vers la matrice mitochondriale 131. Le gradient e n ce ai e la n h e d ATP. Cependan , ne pe me an le pa age e de 4 protons H+, l ATP n ha e ep ente un frein mécanique au retour des protons dans la matrice. On parle de phosphorylations oxydatives et de couplage ca la cha ne e pi a oi e e co pl e la n h e d ATP. Les électrons issus de la chaîne respiratoire réduisen de mol c le d o g ne O2 en H2O.
E p imen alemen , on pe ain i me e l ac i i mi ochond iale pa a con omma ion d o g ne dan n appa eil de me e appel o g aphe. L applica ion de diff en e d og e con e le comple e de la chaine respiratoire permet d die l ac i i de ce comple e . En inhiban le comple e III pa n traitement l antimycine A, toute la chaîne respiratoire est bloquée et la con omma ion d o g ne me e e le efle de la e pi a ion non mi ochond iale. De mani e imilai e, l ili a ion d n p o onopho e el e le ca bon lc anide-3- chlorophenylhydrazone ou le carbonylcyanide-4-trifluoromethoxy-phenylhydrazone di ipe a le g adien e permettra de mesurer la respiration maximale des échantillons. Cette respiration maximale est le reflet de la quantité totale de complexes protéiques fonctionnels de la chaîne respiratoire.
Par sa forte activité de transport de protons vers la matrice mitochondriale, UCP1 dis ipe le g adien lec ochimi e de p o on a d pen de l ATP n ha e. On pa le alo de d co plage en e l ac i i de la chaine e pi a oi e e celle de l ATP n ha e113
. Ainsi, en faisant passer plus de 4 protons par réaction, le f ein e e c pa l ATP synthase en aval de la chaîne respiratoire est levé par l ac ivité d UCP1. Pa con en , le ac ion biochimi e mi ochond iale e o he mi e in e enan en amon d g adien acc l en , ce i p od i et libère davantage de chaleur. Le TA brun est caractérisé par une vascularisation très riche, qui contribue à propager rapidement la chaleur produite de manière systémique, ainsi que les batokines sécrétées par le tissu. La vascularisation permet aussi dappo e le n imen aux cellules132. L effe he mog ni e d UCP1 a p o in vivo en 1997 car contrairement aux souris normales, des souris invalidées pour le gène Ucp1 me en lo elle on e po e brutalement au froid133. A l o g aphe, la e pi a ion d co pl e e donn e
indirectement par la mesure de la consommation d o g ne li e l ac i i de l ATP n ha e pa n ai emen inhibi e l oligom cine, la elle on o ai la respiration non mitochondriale (traitement antimycine A). On peut ajouter des acides gras libres tels que le palmitate, ou des nucléotides de type puriques tels e l ADP o le GDP, afin de me e la e pi a ion li e e pec i emen ne augmentation ou une dimin ion de l ac i i d UCP1.
Récemment, des mécanismes de thermogénèse indépendante des frissons et d UCP1 on d c i . On note notamment celui du cycle de la créatine en ainan ne ac i a ion de l ATP n ha e134
et celui de SERCa2b par l ili a ion d calci m Ca2+135. Ce me m nen l acc l a ion de l ac i i
de la chaîne respiratoire mitochondriale ce qui augmente la production de chaleur.
2. Pathologies liées au TA
Les pathologies du TA sont décrites avec deux situations extrêmes et opposées : d ne pa l ob i se caractérise par une forte prise de masse de TA, e d a e pa le lipod ophie co e ponden ne fo e pe e de ma e o de fonction de TA. Dans les deux situations, les maladies associées sont causées par une perte de capacité du TA à stocker les lipides, conduisant à une insulinorésistance et un diabète de type 2.