RESULTATS et DISCUSSION
1. Etude de l’organisation intracellulaire des mitochondries par imagerie confocale : approche qualitative et quantitative
Les mitochondries des cellules cardiaques sont caractérisées par une organisation structurale très précise (Duchen et al., 1998; 1999, Appaix et al., 2003). Des études d’ultrastructure ont montré la localisation intracellulaire des mitochondries dans les cellules de muscles (Ogata et Yamasaki, 1997). Ces auteurs ont utilisé des muscles fixés au glutaraldéhyde et le procédé ‘aldéhyde-osmium-DMSO-osmium’ afin d’enlever la matrice et les myofilaments cytoplasmiques de la surface dans le but d’exposer de grands secteurs de mitochondries et du réticulum sarcoplasmique. L’observation de ces échantillons par la microscopie électronique à balayage à haute résolution a prouvé que, dans les fibres de muscle oxydatif, les mitochondries sont organisées en structures ou réseaux tridimensionnels (Kirkwwod et al., 1986) et forment dans l’espace intermyofibrillaire, de multiples colonnes mitochondriales épaisses au niveau de la bande A, alors que dans les muscles blancs, les mitochondries sont localisées uniquement au niveau de la bande I près de la strie Z (Bessman et Geiger., 1981). Cette localisation différente se corrèle avec les différences dans la cinétique de la régulation de la respiration, où le Km apparent pour l’ADP est largement plus bas dans le muscle à contraction rapide (glycolytique) que dans les fibres de muscle oxydatif (Kuznetsov et al., 1996). Dans les cardiomyocytes fantômes, dépourvus de myosine, les mitochondries sont localisées régulièrement entre les myofibrilles (Kay et al., 1997).
Une modification du cytosquelette de la cellule cardiaque par la suppression de l’expression du gène de la desmine change la localisation mitochondriale dans les cellules cardiaques et induit deux populations différentes de mitochondries avec des Km apparent pour l’ADP différents (augmentation de l’affinité pour l’ADP pour une partie des mitochondries) (Kay et al., 1997 ; Milner et al., 2000).
Par ailleurs, le principal résultat de l’étude de Kaasik et ses collaborateurs en 2003 sur des souris déficientes en CK, a révélé un remodelage du cytosquelette dans le muscle gastrocnémien se traduisant par une augmentation de la quantité de mitochondries près des myofibrilles. Ceci se traduit également par des modifications des interactions des mitochondries avec les organelles subcellulaires pour venir en aide à la fonction contractile et à l’homéostasie du calcium (Kaasik et al., 2003).
Ces résultats soulignent l’importance de la canalisation et de la compartimentation locale de l’énergie dans les cellules musculaires.
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Le but de ce travail a été de caractériser quantitativement l’arrangement des mitochondries dans le coeur et les muscles squelettiques. Pour ce faire, nous avons étudié des images de microscopie confocale de mitochondries de cardiomyocytes non fixés et de fibres de soléaire et de gastrocnémien blanc de rat adulte. L’arrangement des mitochondries intermyofibrillaires a été analysé en estimant les densités de distribution des centres relatifs des mitochondries les uns par rapport aux autres (fonction de densité de probabilité). Selon ces fonctions de densité de probabilité, les mitochondries sont arrangées de manière très régulière dans tous les muscles étudiés. Dans les cardiomyocytes (1820 centres de mitochondries marqués), les mitochondries voisines sont alignées le long de rectangles, avec une distance entre les centres de 1.97 ± 0.43 µ m et de 1.43 ± 0.43 µm dans les directions longitudinales et transversales, respectivement. Dans le soléaire (1659 centres de mitochondries marqués) et le gastrocnémien blanc (621 paires de mitochondries marquées), la distribution relative des centres de mitochondries est plus complexe. Dans le soléaire et le gastrocnémien blanc les mitochondries sont principalement organisées en paires au niveau des bandes I, et, à cause d’une telle organisation il y a deux distances caractérisant la distribution des mitochondries dans la direction longitudinale dans ces muscles. La distance entre les centres des mitochondriaux dans la direction longitudinale pour la même bande I est de 0.91 ± 0.11 µm et de 0.61 ± 0.07 µm dans le soléaire et le gastrocnémien blanc, respectivement. La deuxième distance décrivant l’arrangement mitochondrial dans la direction longitudinale – la distance entre les centres mitochondriaux de bandes I différentes – est d’environ 3.7 µm dans le soléaire et d’environ 3.3 µm dans le gastrocnémien blanc. Dans la direction transversale, les mitochondries sont considérablement proches les unes des autres dans le soléaire (plus que dans le gastrocnémien blanc) – la distance est égale à 0.75 ± 0.22 µm dans le soléaire et de 1.09 ± 0.41 µm dans le gastrocnémien. Nos résultats montrent que les mitochondries, qui sont situées entre les myofibrilles, sont arrangées de manière hautement ordonnée à la manière d’un cristal muscle spécifique avec de relativement petites déviations dans les distances entre mitochondries voisines. Ceci va dans le sens du concept de nature unitaire de l’organisation du métabolisme énergétique du muscle.
Cette observation va dans le sens de la proposition émise par Duchen en 1999 (Duchen, 1999) que les mitochondries et le RS puissent être intimement associés en une unité fonctionnelle. Le concept d’unités énergétiques intracellulaires (ICEUs) proposé par Seppet et Saks en 2001 décrit justement l’organisation fonctionnelle de l’énergétique des cellules en
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raison de la position fixée avec précision des mitochondries (Seppet et al., 2001; Saks et al., 2001).
Enfin, dans le cas d’une structure proche de celle d’un cristal, il est difficilement envisageable que des phénomènes de fusion et de fission mitochondriales puissent se produire. En effet, sous la contrainte des structures cytoplasmiques, et notamment des protéines du cytosquelette, la position des mitochondries dans les cellules est fixée et ces organelles ne sont pas libres de se déplacer dans les cellules. En revanche, il est probable que ces phénomènes de fusion et de fission mitochondriales puissent être des mécanismes de contrôle de la position des mitochondries et par conséquence de la fonction mitochondriale.
Ainsi, des rats obèses ont montré qu’une répression du gène codant pour la mitofusine 2 (Mnf2) s’accompagne d’une altération de la capacité oxydative musculaire (Bach et al., 2003). Ces auteurs ont mis en évidence un rôle majeur de Mfn2 dans la thermogenèse et le métabolisme énergétique mitochondrial qui, lorsqu’il est dérégulé peut être un facteur de risque dans le développement de l’obésité.
Ma contribution dans ce travail est de 50% (préparation du matériel biologique, protocoles de marquages des cellules et des fibres perméabilisées ainsi que leur visualisation au confocal, participation à l’écriture de l’article).
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