Modifications du protéome dues aux facteurs post-mortem

La transformation post-mortem du muscle en viande est une étape cruciale pour le

développement de nombreux critères de la qualité de la viande (Renand et al., 2001 ; Ouali et

al., 2006). Bien que les événements biochimiques qui surviennent dans le muscle après la

mort de l’animal soient relativement bien documentés (Ouali, 1990 ; 1991), les outils

protéomiques fournissent une vue plus détaillée des voies et processus sous-jacents

(D’Allessandro et Zolla, 2013a,b). Bien que le rôle du système protéolytique des calpaïnes ait

été largement étudié (Koohmaraie et al., 2002; Koohmaraie et Geesink, 2006), il est admis

aujourd’hui que le processus de développement de la qualité de la viande au cours de la

période post-mortem est le résultat de l'action synergique de plusieurs systèmes protéolytiques

endogènes, dont le premier activé est le système des caspases (impliqué dans le phénomène

d’apoptose) (Ouali et al., 2006 ; Herrera-Mendez et al., 2006 ; Kemp et al., 2012).

IV.7.2.1. Modifications de l’expression des protéines du muscle lors du stockage

Les modifications post-mortem des protéines dans le muscle ont initialement été rapportées

par Lametsch et al. (2002). Un total de 23 spots ont été séparés par 2DE, et trouvés accumulés

dans le muscle stocké pendant 48 h. Parmi eux, 18 spots ont été identifiés par MALDI-TOF,

et proviennent de 3 protéines de structure et 6 protéines du métabolisme énergétique (Tableau

03). Le poids moléculaire et la longueur estimée des séquences d'acides aminés de certains

spots identifiés indiquent que leurs fragments résultent d'une activité protéolytique dans la

viande. Hwang et al. (2005) ont également évalué la protéolyse post-mortem dans le muscle

Longissimus du porc en utilisant une approche protéomique similaire, où les temps

d’échantillonnage étaient de 0 h (lors de la saignée), 24 h, 3 jours et 7 jours post-mortem. Les

auteurs ont ainsi révélé la dégradation de 9 peptides d’actine et dont plusieurs d’entre eux

corroborent à ceux rapportés par Lametsch et al. (2002).

Les modifications de protéines dans le muscle post-mortem sous différentes conditions

pré-abattage et chez différentes races ont également été étudiées. Morzel et al. (2004) ont

étudié l'influence des conditions pré-abattage et du temps de stockage post-mortem sur les

Chapitre IV Revue de littérature

modifications du protéome de la viande de porc pendant 72h de maturation. Les abondances

de 37 spots protéiques ont été modifiées significativement en fonction du temps

d’attendrissage juste après l'abattage jusqu'à 72 h post-mortem (Tableau 03). Trois différentes

hypothèses de ces changements ont été émises, à savoir la protéolyse, les modifications

post-traductionnelles, et la libération de peptides des protéines de structure ou de complexes

protéiques. Ils ont également souligné que la période pré-abattage n'a eu aucun effet

significatif sur les enzymes de protéolyse et par conséquent les événements protéolytiques.

Les modifications post-mortem des protéines du muscle bovin ont été rapportées par Jia et

ses collaborateurs en 2006. Ils ont étudié les changements d’abondances des protéines du

métabolisme du muscle Longissimus thoracis dans des biopsies prélevées très tôt après

abattage (Jia et al., 2006a). Ils ont identifiés 24 protéines dont l’abondance est modifiée entre

4 jours et 45 - 60 min post-mortem. Les résultats obtenus confirment une augmentation du

métabolisme énergétique aérobie juste après abattage, pour régénérer les niveaux d'ATP dans

le muscle. Dans une étude ultérieure, le même groupe a comparé les profils de modifications

des protéines du cytosol des muscles Longissimus dorsi et Semitendinosus à 0 et 24 h

post-mortem (Jia et al., 2006b). 5 protéines ont montré des changements dans les deux muscles

pendant la durée de stockage. 15 autres modifications ont été observées dans les deux

muscles, dont certaines jamais observées auparavant dans le muscle bovin. Enfin, en suivant

les modifications en cinétique à six différents temps post-mortem entre 1 et 24 h, ils ont

identifié des modifications significatives pour un total de 47 spots (Jia et al., 2007). 39 de ces

protéines peuvent être classées en 5 groupes : enzymes du métabolisme énergétique, protéines

de défense et de stress, protéines de structure, enzymes protéolytiques, et d’autres protéines

non identifiées. Visiblement, les enzymes métaboliques identifiées sont toutes associées aux

voies de régénération de l’ATP, que ce soit la voie glycolytique ou oxydative. En outre,

Morzel et al. (2008) ont étudié le protéome du muscle Longissimusthoracis de taurillons de la

race Blonde d’Aquitaine prélevé à 1 h post-mortem et après 14 jours de maturation, et ils ont

identifié 14 protéines et fragments qui ont subi des changements importants (Tableau 03).

D’autres études ont été conduites dans le muscle du poisson, les premières études ont été

initiées parMorzel et al. (2000) chez le saumon atlantique (Salmo salar). Jessen et Kjaersgard

(2003) ont réalisé une analyse protéomique pour révéler les modifications post-mortem, du

protéome musculaire de la morue atlantique (Gadus morhua). Les auteurs ont observé que 11

spots protéiques changent d’une manière significative durant les 8 jours de stockage. Parmi

ces 11 spots, 9 avaient de fortes intensités pendant plusieurs heures; et 8 dès les deux 1ères

heures suivant la mort. En revanche, les 2 autres spots diminuent d’intensité et exprimaient

une modification significative après 8 jours. Les auteurs montrent qu'il y a relativement peu

de produits de dégradation du muscle de la morue par rapport à celui des mammifères.

IV.7.2.2. Modifications des protéines du muscle post-mortem dues aux traitements

technologiques

Une multitude de traitements technologiques pour manipuler les carcasses ou les muscles

pendant la période post-mortem en vue d’optimiser les paramètres de qualité technologique

ont été décrits (Thompson, 2002). Par exemple, la stimulation électrique après abattage a reçu

une attention toute particulière comme procédure d’amélioration de la qualité de la viande

(Swatland, 1981). Le désossage à chaud des muscles de haute valeur marchande augmente

aussi d’une manière efficace le potentiel de tendreté (Troy, 2006). Ces exemples

d’intervention ont un impact sur les mécanismes biochimiques qui contribuent au résultat

final de la qualité. Par conséquent, comprendre les modifications survenant suite aux

traitements est une des priorités de nombreux groupes de recherche.

Pour exemple, des analyses protéomiques ont été réalisées pour étudier les changements de

protéomes sur des périodes de stockage prolongées. Luccia et al. (2005) ont suivi l'évolution

du protéome du jambon sec pendant 14 mois d'affinage. Leurs résultats indiquent

essentiellement que deux molécules d'actine, la tropomyosine et la MLC disparaissent au

cours de la période de maturation et ont été presque complètement hydrolysées après 12 mois.

Dans une autre étude, Kjaersgard et al. (2006) ont utilisé la 2DE, combinée à la MS/MS, pour

étudier les modifications dans les protéines musculaires de la morue pendant la congélation

(3, 6, 9, 12 mois). Les résultats indiquent que les poissons congelés entre 3 et 6 mois peuvent

être différenciés de ceux congelés pendant 12 mois. Parmi les protéines qui changent, ils ont

révélé des fragments d’actine similaires à ceux identifiés chez le porc (Lametsch et al., 2003).

L’intérêt croissant pour améliorer la sécurité sanitaire de la viande tout en préservant sa

fraicheur a incité l'élaboration de nouvelles technologies non thermiques opérant à haute

pression. L’application des hautes pressions (HPP : High-pressure processing) ou

Pascalisation provoque des changements de conformation des protéines, induisant leur

dénaturation, agrégation, ou gélification, et peuvent avoir un impact majeur sur la qualité de

la viande. Récemment, le groupe de Mullen en Irlande, ont étudié les changements induits par

HPP sur le profil des protéines musculaires et les ont reliés aux indicateurs de qualité.

Figure 29. Principales familles biologiques regroupant la liste non exhaustive de

biomarqueurs des qualités des viandes identifiés dans les études protéomiques lors

Dans leurs études sur le muscle long dorsal bovin, le groupe a traité des morceaux de

viandes à différentes pressions, de 200 à 600 MPa. Pour exemple, la concentration totale et la

solubilité des protéines, la couleur, et la capacité de rétention d’eau ont été trouvées comme

étant les paramètres de qualité qui sont le plus affectés par ce traitement technologique.

L’analyse protéomique a révélé que l’intensité de nombreux spots protéiques sont modifiés et

que les protéines sarcoplasmiques sont les plus touchées par le traitement HPP (Marcos et al.,

2010) et (Marcos et Mullen, 2014). Ces travaux ont mis en évidence les mécanismes par

lesquels la qualité de la viande est influencée et proposent de futures bases pour

l’identification de biomarqueurs qui auront pour but de « manager » les produits transformés.

IV.8. Liste non exhaustive de biomarqueurs de la qualité de la viande identifiés à ce jour

Comme déjà présenté, un des objectifs des recherches sur la viande est de pouvoir

expliquer et/ou prédire la variabilité la qualité de la viande, en comparant les signatures

moléculaires de groupes d’échantillons musculaires à l’origine de viande de faible (Q

^–

) et de

haut niveau de qualité (Q

⁺

) constitués sur la base d’un critère de Qualité donné (Figure 28).

Ceci sous-entend l’identification de biomarqueurs afin de détecter les animaux selon leur

potentiel qualité (PQ

^–/+

) ou appartenant à une qualité (classe) faible ou supérieure (voir aussi

intermédiaire) et susceptibles de fournir une viande de qualité élevée et constante.

Dans la littérature, il existe d’ores et déjà pléthore de protéines biomarqueurs potentiels des

qualités des viandes obtenus par les techniques « omiques » et en particulier la protéomique

(voir les principales synthèses de : Picard et al., 2010 ; 2011 ; 2012 ; 2015 ; Guillemin et al.,

2011 ; Hamill et al., 2012a,b ; Ouali et al., 2013 ; Chaze et al., 2013 ; te Pas et al., 2013 ;

Gobert et al., 2014 ; Wu et al., 2015). Ces biomarqueurs ont été obtenus à partir de différents

types de modèles d’étude en utilisant différentes stratégies protéomiques (Tableau 02).

Face à l’augmentation importante du nombre de candidats biomarqueurs apparus dans la

littérature ces 10 dernières années, il a été tentant d’essayer de les classer pour pouvoir d’y

voir plus clair. Dans ce qui suit, l’état de l’art a été fait et une liste non exhaustive de

biomarqueurs identifiés à ce jour a été répertoriée (Figure 29, Tableau 03). Ils ont été classés

suivant les fonctions biologiques dans lesquelles sont impliqués. Ce travail a été initié pour

une revue de synthèse publiée en 2013 (Ouali, Gagaoua et al., 2013) et a été largement élargi

et actualisé dans cette partie de thèse et fera l’objet d’une publication sous forme d’un

chapitre d’ouvrage (en préparation) d’un livre édité par Elsevier, dans la série sciences des

aliments (Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition).

Figure 30. Rôles potentiels des protéines de stress thermique dans le muscle post-mortem.

Stress oxydatif Infection bactérienne Restriction énergétique Effort physique Conditions de transport et d’abattage

Heat Shock Proteins

« HSPs » Chaperonnes moléculaires

Rôle mécanistique dans le processus d’attendrissage (marqueurs potentiels de la tendreté, pertes en eau, …etc.) Protection des structures

cellulaires contre l’apoptose « Fonction antiapoptotique » Protection des protéines

myofibrillaires de la dégradation par l’inhibition des voies

protéolytiques

Réparation des protéines après un dommage cellulaire Développement cellulaire et différentiation A u g men te

IV.8.1. Biomarqueurs de la famille des protéines de choc thermique

En réponse au stress (Figure 30) : stress oxydatif, infection bactérienne, restriction

calorique, conditions de transport et d'abattage ... etc., les cellules produisent rapidement et

stimule la production d’une superfamille de protéines connue sous le terme de protéines de

choc ou stress thermique ou Heat Shock Proteins (HSP) (Garrido et al., 2001 ; Escobedo et

al., 2004 ; Ramaglia et al., 2004; Beere, 2005; Selsby et al., 2005; Murlasits et al., 2006 ;

Cruzen et al., 2015). Elles sont classées en sous-familles sur la base de leur poids moléculaire:

Hsp90, Hsp70, Hsp40, Hsp27, Hsp20, … etc. Les HSPs sont des protéines ubiquitaires qui

sont synthétisées en réponse à des contraintes physiques, chimiques ou biologiques (Li et al.,

2007; Yu et al., 2007; Morzel et al., 2008; Bao et al., 2008 ; Carlson et al., 2015).

Les protéines de choc thermique ont de nombreux rôles essentiels et ceux qui ont été

rapportés dans le muscle sont illustrés dans la Figure 30. Par exemple, elles contribuent à la

bonne conformation des protéines et la préservation de leurs fonctions biologiques. La plupart

d'entre elles jouent un rôle important comme chaperonnes moléculaires lors de l'assemblage

des protéines (Haslbeck et al., 2005), le repliement et dépliage des protéines nouvellement

synthétisées (Zietkiewicz et al., 2004), et la renaturation des protéines endommagées

(Marques et al., 2006). Ces protéines ont donc le potentiel de protéger les organites et

structures intracellulaires des risques associés à la perte de fonctions.

L'hypothèse de l’implication des protéines de stress thermique (HSPs) dans le processus

de transformation du muscle en viande a été émise pour la première fois par Ouali et al.

(2006), et ce en raison de leurs fonctions anti-apoptotiques. Il a été suggéré que ces protéines

pourraient être recrutées pour entraver la mise en place du phénomène d’apoptose afin

d’empêcher tout danger de mort cellulaire. L’action antiapoptotique débute par la formation

d'un complexe avec les caspases actives et par conséquent un ralentissement du processus de

mort cellulaire induisant ainsi une perturbation du processus d’attendrissage (Gotoh et al.,

2004). Voss et al. (2007) ont rapporté que dans les monocytes, certaines HSPs régulent le

phénomène d'apoptose par l’inhibition de l’activité protéolytique de la caspase 3. D'autres

auteurs ont montré que les HSPs agissent par la séquestration du Cytochrome c après sa

libération des mitochondries (Bruey et al., 2000). De ceci, il ressort que l’hypothèse du

phénomène d’apoptose comme étant la première étape d’attendrissage, apporte quelques

éléments de réponses à la nature de la relation entre le stress des animaux et la variabilité de

l’attendrissage de la viande (Ouali et al., 2006 ; Kemp et al., 2012 ; Hollung et al., 2014).

Chapitre IV Revue de littérature

Tous les travaux de recherche les marqueurs biologiques de la tendreté ou d’autres qualités

des viandes par génomique fonctionnelle, au niveau ARNm ou protéines, ont souvent révélé

un rôle important des heat shock proteins, par la sous- ou surexpression dans les muscles

post-mortem du porc (Hwang et al., 2005 ; Sayd et al., 2006), du bovin (Bouley et al., 2004 ;

Pulford et al., 2008a,b ; Jia et al., 2009), du poulet (Zanetti et al., 2013 ; Liu et al., 2012 ;

Phongpa-Ngan et al., 2011) et du poisson (Ling et al., 2009 ; Mohanty et al., 2013 ; 2015).

Leur expression augmente juste après l'abattage, probablement en réponse à des signaux de

stress cellulaire. Chez le bovin, plusieurs études ont démontré que les HSPs peuvent jouer un

rôle prépondérant dans le déterminisme de la tendreté de la viande (Picard et al., 2010; 2015).

Bernard et al. (2007) ont trouvé une relation négative entre la tendreté et la protéine Hsp40

(codée par le gène DNAJA1), une protéine retardant le processus de mort cellulaire dans les

tissus musculaires. Morzel et al. (2008) ont signalé que la protéine Hsp27 est sous-abondante

chez les animaux qui ont des notes de tendreté inférieures et elle a été proposée comme un

marqueur potentiel de la tendreté. Dans une autre étude caractérisant le protéome des biopsies

de muscle bovin prélevées 4 jours avant abattage, une Hsp de la famille des 70 kDa a été

trouvée sous-exprimée chez les animaux ayant des scores de tendreté élevés (Jia et al., 2009).

De nombreuses HSPs semblent avoir une abondance variable durant la période

post-mortem. Les deux petites HSP ont été identifiées dans la plupart des études de protéomique, à

savoir Hsp27 et αB-cristalline. Ces deux petites HSP permettent d'éviter les dommages de

structures et la dégradation des protéines du muscle face au phénomène d’apoptose, et aussi

de protéger les filaments d'actine du cytosquelette et d'autres protéines face à la fragmentation

initiée par le stress (Pivovarova et al., 2005 ;Lomiwes et al., 2013 ; 2014a,b). La modulation

de ces protéines au cours de la période post-mortem chez le bovin, suggère un changement

dans la stabilité post-mortem des protéines myofibrillaires (Jia et al., 2007; Laville et al.,

2009a,b; Bjarnadóttir et al., 2010).

Considérant que la tendreté de la viande dépend de la dégradation post-mortem des

protéines myofibrillaires, les petites HSP ont donc été impliquées dans le déterminisme de la

tendreté. De ce fait, Hsp27 a été proposée comme candidat dans la liste des biomarqueurs vu

la relation étroite entre sa surexpression et les notes de tendreté (positivement corrélée avec la

force de cisaillement de Warner-Bratzler (WBSF)) (Kim et al., 2008).

La protéine αB-cristalline empêche la précipitation des protéines dénaturées et augmente la

résistance au stress cellulaire (Augusteyn, 2004). De plus, il a été montré que l'expression de

Hsp20 et αB-cristalline augmente d’une manière considérable durant les premières heures qui

suivent l’abattage chez le bovin dans le muscle Longissimus et diminue par la suite dans les

extraits protéiques totaux (Pulford et al., 2008). D'autre part, il a été suggéré que les

modifications d'abondance de Hsp20 peuvent conduire à une diminution de la stabilité des

filaments d'actine, qui peut être associée à une augmentation des notes de la tendreté de la

viande (Zapata et al., 2009).

Comme abordé ci-dessus, Bernard et al. (2007) ont montré que l'expression du gène

DNAJA1 codant pour la protéine Hsp40, est un bon prédicteur de la dureté de la viande de

taurillons de la race Charolaise. Un résultat similaire a été rapporté récemment par Sami et al.

(2015). Bernard et al. (2007) ont constaté que la protéine est sous-exprimée dans les

échantillons de muscle de la viande de qualité supérieure et son expression est inversement

liée avec les notes de tendreté. La protéine Hsp40, est une co-chaperone de Hsp70, et ce

complexe peut inhiber d’une manière directe l'apoptose par la prévention de la translocation

de la protéine proapoptotique Bax vers la membrane mitochondriale, qui déclenche la

libération du cytochrome c, et initie l'activation de la voie intrinsèque et de la caspase 9

(Gotoh et al., 2004). Les auteurs ont montré que l'expression de DNAJA1 était corrélée

négativement à la tendreté mesurée après 14 jours de maturation et explique à elle seule 63%

de la variabilité de la tendreté sensorielle. D'autre part, les niveaux d’expression de la protéine

Hsp70 ainsi que deux spots correspondant à Hsp27, ont également été trouvés faiblement

abondantes dans le muscle LT de taurillons de la race rouge Norvégienne et ce après 48 h

post-mortem (Bjarnadottir et al., 2010).

En plus de la tendreté de la viande, d'autres études évoquées précédemment ont aussi

révélé une forte association entre l'expression des HSP et plusieurs paramètres de la qualité de

la viande (Kim et al., 2008). L’expression de l’αB-cristalline, et avec une faible abondance,

Hsp27, ont été négativement associés aux valeurs de l’indice de la Luminance (L*) de la

couleur de la viande (Hwang et al., 2005). De fortes pertes en eaux du muscle Longissimus

dorsi chez le porc ont été trouvées associées à une diminution des concentrations de Hsp27 et

αB-cristalline (Kwasiborski et al., 2008a). En relation avec l'augmentation de la température

corporelle due au stress, Hsp27 et αB-cristalline ont également été décrites comme marqueurs

potentiels des pertes en eaux dans la viande fraîche (Sayd et al., 2006; Laville et al., 2009).

Chapitre IV Revue de littérature

IV.8.2. Biomarqueurs appartenant à la voie du stress oxydatif et détoxification

Des protéines associées à la réponse au stress oxydant, telles que la superoxyde dismutase

(SOD1), les peroxyredoxines (1, 2, 3 et 6 : Prdx) ou encore DJ-1 (codée par PARK7) ont été

révélées comme biomarqueurs des qualités des viandes, notamment de la tendreté dans

plusieurs études (Kwasiborski et al., 2008 ; Jia et al., 2009, Guillemin et al., 2012 ; Polati et

al., 2012 ; etpour revue Picard et al., 2012a ; D'Alessandro et Zolla, 2013a). Chez le bovin, la

SOD1 est corrélée positivement avec la mesure de WB (+0,43) au niveau du muscle

Semitendinosus (Guillemin et al., 2012). Chez le porc, elle été trouvé liée aux pertes en poids

et en eaux dans le muscle Longissimus (Kwasiborski et al., 2008 ; Te Pas et al., 2013).

Les superoxyde dismutases (SOD) sont des métalloprotéines caractérisées par le métal

(cuivre (Cu) et zinc (Zn), manganèse (Mn), fer (Fe) ou nickel (Ni)) contenu dans leur site

actif. Les superoxyde dismutases à Cu-Zn constituent une classe distincte des superoxydes

dismutases à fer et à manganèse (Perry et al., 2010 ; Forest et al., 2000). Les SOD, possèdent

une activité enzymatique: la catalyse de la dismutation du superoxyde en dioxygène et

peroxyde d'hydrogène (Zelko et al., 2002).

La protéine DJ-1 codée par le gène PARK7 a été rapportée comme étant le deuxième gène

responsable de l'apparition précoce autosomique récessive parkinsonisme (Bonifati et al.,

2003a,b ; Canet-Avilés et al., 2004). C’est une protéine ubiquitaire de 189 acides aminés et

son poids moléculaire est de 20 kDa. DJ-1 est aussi connue sous le nom d’oncogène DJ-1 et

comme la protéine 7 de la maladie de Parkinson (PARK7). Elle fait partie de la famille des

ThiJ/PfpI et possède un site de sumoylation (une MPT aboutissant à la liaison covalente d'une

ou plusieurs protéines SUMO sur une lysine acceptrice d'une protéine cible) qui se situe sur la

lysine 130 (Takahashi et al., 2001 ; Shinbo et al., 2005). Le fait qu’elle soit sumoylée, ne

prouve en rien que son activité soit optimisée. DJ-1 a été initialement identifiée comme un

Dans le document Biomarqueurs des qualités sensorielles de la viande bovine : compréhension des mécanismes et prédiction (Page 119-200)