Interaction ERO-Ca 2+ au cours de l’Ischémie-reperfusion : activation du mPTP

du mPTP

2.3.1. Identité moléculaire du mPTP et son rôle en physiologie

On sait aujourd’hui, que la perméabilisation des membranes mitochondriales par l’ouverture du mPTP est un processus clé dans l’apparition des lésions de reperfusion. C’est l’un des évènements terminaux conduisant à la mort cellulaire. La surcharge calcique, le stress oxydant, les fortes concentrations de Pi et la déplétion en nucléotides adényliques sont des inducteurs essentiels de l’ouverture du mPTP au cours de la reperfusion post-ischémique. Bien qu’il soit aujourd’hui bien établi que le mPTP joue un rôle clé dans les lésions d’IR, sa caractérisation et son rôle en condition

physiologique dans la fonction cardiaque et le métabolisme demeurent aujourd’hui incertains et soumis à de nombreux débats. Il semble donc important de décrire son rôle physiologique afin de pouvoir ensuite mieux comprendre son implication dans la physiopathologie des lésions d’IR.

Le mPTP est un complexe multi protéique capable de former un pore non sélectif au niveau des zones de contact des membranes interne et externe mitochondriales (Crompton, 1999). L’identité moléculaire du mPTP n’étant pas clairement défini, de nombreux modèles ont à ce jour été proposés. En effet, Javadov et Karmazyn en 2007 ont tout d’abord considéré que le mPTP était composé de l’adenine nucleotide translocator (ANT) présent au niveau de la IMM et que son ouverture était régulée par la Cyp D ou Peptidyl-prolyl cis trans isomérase F (Ppif) (Crompton, 1999). L’ANT serait lui-même associé à VDAC localisé dans la membrane externe mitochondriale pour former le canal transmembranaire. Dernièrement, un nouveau modèle suggère que le mPTP serait un dimère d’ATP synthase et que la Cyp D régulerait son ouverture (Bernardi and Di Lisa, 2015; Giorgio et al., 2013)

(Figure 10).

En condition physiologique, l’ouverture transitoire du mPTP semble essentielle pour le métabolisme cardiaque (Figure 11) (Giorgio et al., 2013; Mnatsakanyan et al., 2017). En effet, l’ATP synthase, l’ANT et le Pi ne sont pas seulement fonctionnellement couplés pour la production d’ATP

mais sont également couplés physiquement au niveau de la membrane interne dans un super complexe appelé le synthasome d’ATP (Ko et al., 2003). La perte d’un des composés du synthasome entraîne une altération de l’OXPHOS (Bakker et al., 1993) et de la production d’énergie (Kwong et al., 2014). De plus, des études protéomiques sur des souris déficientes pour la Cyp D, ont raporté des altérations des enzymes impliquées dans le cycle de Krebs et dans le métabolisme du pyruvate (Menazza et al., 2013). Tout ceci suggère qu’une désensibilisation du mPTP produit une reprogrammation globale du métabolisme cellulaire et que celui-ci représente un élément clé de la vie et de la mort cellulaire programmée en intégrant le métabolisme énergétique.

Comme décrit ci-dessus, l’homéostasie calcique joue un rôle clé dans le fonctionnement des mitochondries (voir partie Chap1/II/2.1 –homéostasie calcique mitochondriale) (Figure 9 et 11). Certaines études suggèrent que l’ouverture transitoire du mPTP permettrait de réguler le Ca2+ matriciel en modulant la concentration calcique intracellulaire (Korge et al., 2011). Un travail mené sur des souris déficientes pour la Cyp D conforte cette hypothèse (Elrod et al., 2010). Néanmoins, il semblerait que ceci ne soit valable qu’en condition pathologique puisque, d’autres études ex vivo, menées cette fois ci sur des cellules Hela, suggérent que le mPTP ne jouerait finalement pas de rôle dans l’efflux du Ca2+ matriciel en condition physiologique (De Marchi et al., 2014). Ainsi, les études sur le sujet demeurent controversées et des études plus approfondies sont nécessaires afin de mieux comprendre le rôle physiologique du mPTP.

Le mPTP est aussi connu comme ayant une forte interaction avec la production d’ERO (Zorov et al., 2000) (Figure 11). Comme décrit précédemment, bien qu’une production excessive d’ERO puisse contribuer à accélérer la mort cellulaire via l’activation du mPTP, il a été démontré via l’utilisation d’indicateurs génétiques fluorescents sensibles à la production d’O2^●- (cpYFP), qu’en condition physiologique (repos ou contraction cardiaque) les mitochondries sont capables d’émettre des « flashs » d’O2^●-, appelés « mitoflashs » (Li et al., 2012; Wang et al., 2008). Ces flashs sont discutés par les auteurs comme permettant de réguler la production d’ATP dans le cœur (Wang et al., 2017) et semblent être le résultat d’un couplage fonctionnel entre l’ouverture du mPTP et la production d’ERO par la CTE (Wang et al., 2008). En effet, l’apparition de ces « flashs » s’accompagne toujours d’une dépolarisation transitoire du ΔΨm (Wang et al., 2008). De plus, d’autres études ont pu démontrer que l’ouverture du mPTP coïncidait avec l’apparition de ces « flashs » (Wang et al., 2008). Ces mitoflashs semblent également participer au stress oxydatif au cours de la reperfusion (Huang et al., 2011; Wang et al., 2008).

Figure 11 : Rôles physiologiques du mPTP dans le cœur.

2.3.2. ERO, Ca2+ et ouverture du mPTP dans la mort cellulaire

Dans la physiopathologie, il est maintenant largement admis que la mort cellulaire au cours de la reperfusion post-ischémique est médiée par l’activation du mPTP (Halestrap et al., 2004). L’acidose cellulaire au cours de l’ischémie maintient le mPTP en conformation fermée et ce malgré un découplage de la respiration mitochondriale, une augmentation du Ca2+ ainsi qu’une élévation du stress oxydant mitochondrial. En effet, l’inhibition de l’OXPHOS est la conséquence directe de la privation d’O2. Ceci est associé à une chute du ΔΨm, l’ATP synthase hydrolyse alors l’ATP pour maintenir le ΔΨm, ce qui participe à la déplétion en ATP. La production anaérobie d’ATP par la glycolyse est dans un premier temps stimulée mais l’absence d’O2 entraîne une accumulation des produits de la glycolyse (acide lactique et les protons) et aboutit à une diminution du pH intracellulaire. Cette acidification du milieu intracellulaire protège les cardiomyocytes de la mort cellulaire au cours de l’ischémie et dans les premières minutes de la reperfusion en inhibant l’ouverture du mPTP.

Au cours de la reperfusion, la normalisation du pHi, associée à l’établissement d’un cercle vicieux entre la surcharge calcique et l’augmentation d’ERO (Görlach et al., 2015; Zorov et al., 2000) conduisent à l’activation du mPTP. En effet, Zorov et al., (2000) démontrent par microscopie confocale, sur un modèle de production d’ERO contrôlée (par photo excitation) sur des cardiomyocytes isolés, que la production d’ERO conduit à l’activation du mPTP (Zorov et al., 2000). Ce phénomène aboutit à une auto-amplification de la production d’ERO, par un phénomène de « ROS-induced ROS release » (Zorov et al., 2000, 2014). Il semblerait que les effets délétères du Ca2+ au cours de l’IR s’expliquent par une augmentation de la sensibilité du mPTP à ce dernier. En effet, Griffiths et son équipe rapportent que l’utilisation de cyclosporine A (CsA), un inhibiteur du mPTP, protège des cellules soumises à une IR (Griffiths and Halestrap, 1993). De manière intéressante, la concentration de Ca2+ dans les mitochondries viables était plus importante dans les cardiomyocytes préalablement traités avec de la CsA, suggérant que la CsA ne réduit pas le niveau de Ca2+ mitochondrial, mais module l’activation du mPTP en réponse au Ca2+.

Ainsi, l’ouverture durable du mPTP va être à l’origine d’une soudaine augmentation de la perméabilité membranaire mitochondriale conduisant à une dissipation du potentiel de membrane. La dissipation du potentiel de membrane s’accompagne d’un arrêt de la synthèse d’ATP, mais également de son hydrolyse par l’ATP synthase qui se met à fonctionner en mode inversé. Ceci est associé à une déplétion en NAD+. La transition de perméabilité a pour conséquence un gonflement de la matrice mitochondriale secondaire à une entrée massive d’ions et d’eau dans la matrice mitochondriale. Tout ceci peut finalement conduire à la rupture des membranes mitochondriales et à la libération dans le cytosol de facteurs pro-apoptotiques (cyt c) (Kwong and Molkentin, 2015) (Figure

A retenir :

La mitochondrie joue un rôle clé dans les lésions observées au cours de l’IR.

Les dysfonctions mitochondriales au cours de l’IR sont majoritairement caractérisées par i) une surcharge calcique au niveau de la matrice mitochondriale, ii) une importante fuite d’électrons de la CTE aboutissant à une exacerbation de la production d’ERO, et finalement iii) la mise en place d’un cercle vicieux entre ces deux phénomènes aboutissant à l’activation durable du mPTP.

La mitochondrie et le mPTP sont ainsi considérés comme des cibles clés de nombreuses stratégies de cardioprotection.

Chap 2 : Stratégies de cardioprotection : la mitochondrie cible