Quels sont les mécanismes de cette adaptation ?

Le foie et le muscle sont responsables, à eux deux, de 50% de la dépense d'énergie de repos. Une diminution de la masse de ces tissus est donc susceptible de diminuer la dépense d’énergie en valeur absolue. De plus, le foie est un tissu à forte activité métabolique, chez l’homme par exemple, il contribue pour 17-25% de la dépense d’énergie de repos totale mais ne représente que 2% de la masse corporelle. A l’inverse, le muscle, qui représente 25-30% du métabolisme de base et 20% de la masse corporelle totale, a une faible activité métabolique. Par conséquent, si la perte de masse hépatique (par exemple) est proportionnellement plus intense que celle d’organes à l’activité métabolique plus faible (par exemple, le muscle squelettique), une diminution supplémentaire de la dépense d’énergie (en valeur absolue ou ajustée) pourra être observée.

Chez l'animal, en réponse à une perte de poids, l’ensemble des études montre que la masse du foie en particulier et des viscères en général, est la première à diminuer et ceci de façon relativement supérieure à la perte de poids total (Ramsey et al., 2000). La masse musculaire quant à elle, ne diminue que plus tardivement et de façon moins importante. Ramsey et al. (2000) concluent qu'une perte de masse des tissus hautement métaboliques participe à la phase initiale de l'adaptation métabolique en réponse à une restriction calorique.

b)Profil hormonal

(1)Hormones thyroïdiennes

Les hormones thyroïdiennes sont considérées comme le principal régulateur physiologique de la dépense énergétique (métabolisme de base et thermogenèse facultative), non seulement en accélérant le turnover de l’ATP mais également en diminuant l'efficacité de la synthèse d’ATP. Les mécanismes biochimiques et moléculaires expliquant ces effets restent assez peu connus. Ces phénomènes cellulaires qui impliquent directement ou indirectement l'appareil de production d'énergie mitochondrial se divisent brièvement en 3 modes d'action: les effets immédiats (quelques minutes à quelques heures) qui sont véhiculés principalement par la di-iodo-thyronine (T2) et impliquant des voies non-génomiques, les

effets directs à moyen-termes (plusieurs heures à quelques jours) qui impliquent un rôle de la T3 sur la transcription du génome mitochondrial, et les effets indirects à moyen-termes qui impliquent un rôle de la T3 sur la transcription du génome nucléaire (Freake et Oppenheimer, 1995; Wrutniak-Cabello et al., 2001; Goglia et al., 2002; Scheller et al., 2003; Silva, 2003).

La restriction calorique conduit à une diminution de la concentration sérique de T3 et une augmentation de la conversion de la tetra-iodo-thyronine (T4) en la forme inactive (tri-odo-thyronine inverse, rT3) (Kelly, 2000; Krotkiewski, 2002). Ceci participe probablement à l’adaptation métabolique induite par la restriction calorique. Ainsi Weinsier et al. (2000) montrent, d’une part que chez des femmes obèses soumises à une restriction calorique, la concentration de rT3 est significativement augmentée tandis que le taux de T3 et le rapport T3/rT3 sont diminués et d’autre part que ces paramètres évoluent parallèlement à la diminution du métabolisme de base ajusté pour les taux de masse maigre et de masse grasse. De même, une étude réalisée chez des personnes obèses et non-obèses montre qu'une perte de poids, respectivement, de 20 et 10% (4-10 semaines de restriction calorique, 800 kcal/jour) s'accompagne d'une diminution de 10% du métabolisme de base ajusté, d'une diminution de la concentration sérique de T3 et d'une augmentation de celle de rT3 (Rosenbaum et al., 2000). Enfin, Astrup et al. (1996) montrent que chez des femmes « post-obèses », le métabolisme de base ajusté pour les taux de masse grasse et de masse maigre est moindre (8%) que celui de femmes de même poids n'ayant pas eu besoin de maigrir. Ceci s'accompagne d'une diminution de la quantité de T3 plasmatique. Après ajustements pour ces concentrations de T3, la différence de dépense énergétique disparaît entre les femmes post-obèse et celles qui ne l'ont jamais été.

L'ensemble des ces études indique donc qu'une diminution du taux plasmatique de T3 peut, au moins en partie, expliquer l'adaptation métabolique induite par une restriction calorique, mais sans pour autant prouver de façon formelle qu’il existe un lien de causalité entre les deux phénomènes.

(2)Leptine

La leptine, produit du gène ob (Zhang et al, 1994), participe à la régulation de la masse corporelle (essentiellement la masse grasse) en diminuant la prise alimentaire et en augmentant la dépense énergétique, chez le rongeur (Campfield et al., 1995; Halaas et al., 1995; Pelleymounter et al., 1995). Ces effets sont médiés principalement par le système nerveux central (Halaas et al., 1997). De plus, son action sur la dépense d’énergie pourrait

être plus marquée dans les cas de restriction calorique, où son taux sérique est diminué, contribuant ainsi aux mécanismes d’épargne de l’énergie et de normalisation de la balance énergétique (Doring et al., 1998). Ainsi, le traitement par leptine entraîne, chez des souris restreintes en calories, une augmentation de la dépense d’énergie, alors que chez des souris nourries ad-libitum, il diminue simplement la prise alimentaire sans modifier le métabolisme de base (Doring et al., 1998). Des résultats préliminaires, obtenus chez l’homme, vont dans le même sens. Ainsi, il a été montré que durant une période de stabilisation d’un poids réduit (suite à une restriction calorique), l’injection de leptine (à doses suffisantes pour restaurer les concentrations initiales) majore la perte de poids (Rosenbaum et al., 2002).

Lors d’une restriction calorique, les études humaines et animales montrent une diminution du taux sérique de leptine (Maffei et al., 1995; Considine et al., 1996; Scholz et al., 1996; Rosenbaum et al., 1997; Dubuc et al., 1998; Wadden et al., 1998; Doucet et al., 2000), sans qu’il n’y ait de relation entre l’intensité de la perte de poids et le taux basal ou la variation en leptine (Niskanen et al., 1997; Dubuc et al., 1998; Wadden et al., 1998). Ainsi la restriction calorique, par elle-même, serait un plus fort déterminant de la variation du taux de leptine que ne le serait la perte de poids associée, au moins durant les premiers temps de la restriction calorique (2 premiers mois) et pour des pertes de poids inférieures à 10% du poids initial (Havel et al., 1996; Wadden et al., 1998). De plus, il apparaît que la diminution du taux de leptine sérique est plus forte durant la phase dynamique de perte de poids que durant la phase de stabilisation (Rosenbaum et al., 1997).

Parmi les paramètres hormonaux et métaboliques (insuline, cortisol, glucose, acides gras et hormones thyroïdiennes), seul les taux plasmatiques de glucose et d’acides gras sont corrélés avec les variations de concentration de leptine, induites par la restriction calorique chez l’homme (Jenkins et al., 1997; Niskanen et al., 1997; Dubuc et al., 1998; Keim et al., 1998; Torgerson et al., 1999; Wisse et al., 1999). En particulier, plus les taux d’acides gras sont augmentés et plus la concentration de leptine est diminuée. Ceci suggère que la diminution du taux de leptine induite par une restriction calorique pourrait être régulée par le métabolisme lipidique (augmentation de la lipolyse) et glucidique (diminution de l’utilisation) dans les adipocytes. Toutefois, certaines études montrent que la variation de la masse grasse n’est pas toujours le seul déterminant de la diminution du taux de leptine sérique, le taux de leptine circulant étant diminué même après ajustement pour les variations de masse grasse (Havel et al., 1996; Rosenbaum et al., 1997; Wadden et al., 1998; Doucet et al., 2000). Ainsi, la leptine ne serait pas un simple régulateur du poids et de la masse grasse en particulier, mais plutôt un signal de déplétion des réserves en énergie dans les cas de restriction calorique.

Quel que soit le mode de régulation, la concentration de leptine pourrait être un paramètre important dans la régulation de la dépense énergétique. Ainsi, Doucet et al. (2000) trouvent que chez des hommes obèses soumis à une restriction calorique (15 semaines), la variation du taux sérique de leptine est le meilleur déterminant de la variation du métabolisme de base même après ajustement pour les changements de composition corporelle (masse maigre et masse grasse). Chez des femmes obèses et non obèses, Havel et al. (1996) montrent que la variation de la dépense d’énergie de repos corrèle avec les variations des taux de leptine, de masse grasse et de masse maigre. De plus, Wadden et al. (1998) montrent qu’après 40 semaines de restriction calorique (mais pas après 20 semaines), il existe une corrélation entre la diminution du taux de leptine et la diminution de la dépense d’énergie de repos. En revanche, chez des personnes obèses et non-obèses ayant perdu 10 ou 20% de leur poids initial, Rosenbaum et al. (2000) ne trouvent pas de relation entre la dépense d’énergie ajustée pour la variation de composition corporelle (masse grasse et maigre) et le taux de leptine plasmatique.

L’ensemble des ces études suggère que si la leptine peut intervenir dans l’adaptation du métabolisme de base lors d’une restriction calorique, cette hormone n’apparaît pas toutefois comme le signal majeur dans l’homéostasie de l’énergie.

Les mécanismes biochimiques et moléculaires pouvant expliquer l’effet de la leptine sur la dépense d’énergie et particulièrement dans l’adaptation métabolique induite par une restriction calorique sont encore peu connus. Quels qu’ils soient, ces mécanismes semblent indépendants de l’effet thermogène des hormones thyroïdiennes. En effet, Wang et al. (2000) montrent que chez des rats thyroïdectomisés, 3 semaines de traitement par la leptine induit une augmentation du métabolisme de base (+11%) similaire à celle induite par 3 semaines de traitement par T3 (+9%). De plus, l’injection couplée de T3 et de leptine entraînait une augmentation de 24% du métabolisme de base. Cette étude suggère que la leptine est capable de stimuler la dépense d’énergie de repos indépendamment de la présence d’hormones thyroïdiennes mais qu’elle pourrait avoir des mécanismes communs et ainsi agir en addition de la T3 pour stimuler le métabolisme de base. Au niveau musculaire, l’ajout in vitro de leptine stimule la consommation d’oxygène de muscles de souris ob/ob (souris déficiente en leptine fonctionnelle) mais n’a pas d’effet chez des souris db/db (souris déficiente en récepteurs fonctionnel à la leptine) (Dulloo et al., 2002). Ceci suggère une action thermogénique directe de l’hormone impliquant les récepteurs périphériques à la leptine et n’impliquant donc pas une action centrale sur le système sympathique comme pour d’autres tissus (tissu adipeux brun, foie, cœur et reins). De leur côté, McClelland et al. (2004), dans un

modèle de rats obèses possédant une mutation récessive du gène du récepteur à la leptine (rats cp/cp), montrent que l’activité enzymatique de la citrate synthase (CS) est supérieure dans les seuls homogénats de gastrocnemius (pas d’effet dans les homogénats de foie, de soleus, de tibialis antérieur et de cœur). Par ailleurs, ces auteurs ne trouvent pas de différence de l’activité spécifique de la COX et ceci quel que soit le tissu considéré. Enfin, l’ajout in vitro

de différentes doses de leptine, pendant 3 jours, dans des cultures cellulaires musculaires (C2C12 et So18) n’entraîne ni de modification de l’activité enzymatique de la COX et de la CS, ni de différence du taux d’ARNm du gène de la CS mais une diminution du niveau de transcrits du gène UCP2 (McClelland et al., 2004). Dans une autre étude, Cusin et al. (1998) montrent que chez des rats traités pendant 4 jours par de la leptine (infusion intra-cérebroventricullaire) les niveaux d’ARNm UCP3 sont maintenus dans le quadriceps en comparaison de rats restreints en calorie (car appariés pour la nourriture avec les rats traités avec la leptine). Enfin, Zou et al. (2004) trouvent chez des rats restreints de 40% pendant 4 semaines, une corrélation positive entre le taux de leptine sérique diminué et l’intensité de l’activité enzymatique de la citrate synthase de gastrocnemius, suggérant qu’il y a une diminution de la masse mitochondriale musculaire parallèle à celle du taux en leptine.

Au niveau du foie, Melia et al. (1999) trouvent que la fuite de protons de mitochondries isolées de souris ob/ob est supérieure à celle de souris contrôles, et que le traitement des souris ob/ob avec de la leptine normalise cette cinétique au niveau de celle des souris contrôles. Cette élévation de la fuite de protons chez les souris ob/ob n’est pas due à un découplage induit par les acides gras.

L’ensemble des ces études montre 1) un rôle stimulant de la leptine sur le métabolisme énergétique musculaire, impliquant aussi une action directe de l’hormone, 2) que cette thermogenèse pourrait s’expliquer par une augmentation de la fuite de protons UCP-dépendante, 3) à l’inverse la leptine diminuerait la fuite de protons de mitochondries de foie, 4) en cas de restriction calorique, la diminution du taux de leptine pourrait aussi s’accompagner d’une diminution de la masse mitochondriale musculaire.

Finalement, la leptine semble jouer un rôle dans l’adaptation métabolique induite par une restriction calorique, et ceci probablement plus au niveau du muscle squelettique. Cependant, des travaux étudiant plus particulièrement le rôle de la leptine lors d’une restriction calorique au niveau des tissus musculaire et hépatique sont nécessaires pour répondre à certaines questions. La restriction calorique est-elle une simple situation d’hypoleptinémie ? Ou existe-t-il un lien de causalité entre les deux phénomènes ?

c)Métabolisme énergétique mitochondrial:

Il existe peu d'études sur le métabolisme énergétique cellulaire au cours de la restriction calorique. La majorité des études est réalisée chez le rat et dans le but de comprendre les mécanismes participant à l'augmentation de la longévité induite par une restriction calorique. Cependant, il est envisageable que l'adaptation métabolique induite par une restriction calorique s'explique en partie par des modifications du métabolisme mitochondrial.

(1)au niveau du foie.

Les études qui rapportent les effets de restriction calorique à moyen-terme ou de forte intensité (> 75%) montrent une diminution de la consommation d'oxygène de mitochondries isolées de foie de rat (Gold et Costello, 1975; Ramanadham et Kaplay, 1979; Ferreira et Gil, 1984; Lambert et Merry, 2004). Ainsi Gold et Costello (1975) trouvent chez des rats restreints à 25% des apports alimentaires habituels pendant 7 jours, une légère diminution (-5%) de la respiration à l'état 4 sous succinate (pas d’autres substrats respiratoires utilisés et pas de mesure de la respiration à l'état 3). De même, 14 jours de restriction totale en protéines entraînent une diminution de la consommation d'oxygène mitochondriale en conditions phosphorylante (-23% pour l'oxydation du glutamate, -27% pour succinate et -26% pour l'ascorbate + TMPD) et non-phosphorylante (-18% pour les seules oxydations du succinate et de l'ascorbate + TMPD) (Ferreira et Gil, 1984). Cependant, il semble que cette diminution soit passagère puisque Ramanadham et Kaplay (1979) montrent que si la respiration à l'état 3 (sous glutamate/malate et succinate) est diminuée après 3 à 5 semaines de restriction calorique, elle est augmentée après 7 à 9 semaines. De plus, des études de plus longues durées (6 mois) ne retrouvent pas cette diminution de la consommation d’oxygène dans des mitochondries isolées de foie (Lambert et Merry, 2004; Ramsey et al., 2004).

Une telle diminution de la consommation d'oxygène mitochondriale peut s'expliquer, au moins en partie, par une baisse de l'activité de la chaîne respiratoire. Ainsi, Gold et Costello (1975) trouvent une respiration à l'état découplé (sous DNP et succinate) diminuée de 30%. De même, Ferreira et Gil (1984) montrent une diminution du nombre de protons pompés par la chaîne respiratoire durant une respiration à l'état 3 (31% pour l'oxydation du glutamate, -28% pour le succinate et -30% pour l'ascorbate + TMPD). Ces derniers résultats suggèrent, de plus, que cette diminution de l'activité de la chaîne respiratoire, due à la restriction calorique, implique obligatoirement le complexe IV, sans toutefois exclure un effet localisé ailleurs dans la chaîne respiratoire. Cependant, il apparaît que l'activité enzymatique du complexe IV ne

diminue que plus tardivement chez des rats en restriction calorique, puisque 3 à 5 semaines de diète ne modifie pas significativement l'activité spécifique de la COX (Ramanadham et Kaplay, 1978; Desai et al., 2000) alors que 7 à 9 semaines de restriction calorique induisent une diminution de l'activité maximale du complexe IV (Ramanadham et Kaplay, 1978). D'un autre côté, il a été montré que la restriction calorique s'accompagne chez le rat d'une diminution de la quantité de cytochromes, en particulier du taux de cytochromes a + a3 (Ramanadham et Kaplay, 1978; Ferreira et Gil, 1984). Ainsi, Ferreira et Gil (1984) rapportent une diminution de 22% du taux de cytochromes constituant la COX après 14 jours de restriction totale en protéines. De leur côté, Ramanadham et Kaplay (1978) trouvent une diminution de l'ensemble des cytochromes assurant le fonctionnement de la chaîne respiratoire (a + a3, b et c + c1) chez des rats restreints en calories depuis au moins 7 à 9 semaines. Ainsi, une diminution en cytochromes au niveau du complexe IV peut très bien expliquer, au moins en partie, la diminution de la consommation d'oxygène mitochondriale. De plus, une telle diminution de la quantité de cytochrome a + a3 a été associée à une augmentation de l'efficacité de la phosphorylation oxydative (Piquet et al., 2000; Nogueira et al., 2001; cf. paragraphe II.B.1).

Quelques études rapportent aussi des variations de l'activité du complexe I. Ainsi, Ferreira et Gil (1984) montrent une diminution de 40% de la vitesse maximale d'oxydation du NADH par le complexe I, chez des rats restreints totalement en protéines pendant 14 jours. Or le complexe I exerce un contrôle majeur sur la consommation d'oxygène de mitochondries isolées de foie (Inomoto et al., 1994; Rossignol et al., 2000). A l’inverse, Desai et al. (2000) trouvent une augmentation de l'activité enzymatique du complexe I (+62%) dans une situation de restriction calorique moins intense (4 semaines et une perte de poids de 35% contre 14 jours et une perte de poids de 80% dans l'étude de Ferreira et Gil (1984)). La durée de la restriction calorique et l’importance de la perte de poids pourraient expliquer cette divergence. Enfin, Ferreira et Gil (1984) montrent une diminution de 23% de l'activité ATPasique. Ce résultat est une preuve indirecte d'une possible diminution de l'activité phosphorylante qui pourrait en retour expliquer la diminution de la respiration lors d’une restriction calorique.

En conclusion, l'ensemble de ces quelques études montre qu'une restriction calorique d'intensité ou de durée assez importante (au moins une semaine et/ou -75% de la prise alimentaire), s'accompagne d'une diminution de la consommation d'oxygène mitochondriale hépatique et que cet effet pourrait s’expliquer par une diminution de l'activité de la chaîne respiratoire impliquant probablement la COX et/ou l’activité du complexe ATP-synthétase.

(2)au niveau du muscle squelettique.

De nombreuses études montrent que la restriction calorique s'accompagne d'une diminution de la consommation d'oxygène de mitochondries isolées de muscle squelettique (Hansen-Smith et al., 1977; Ardawi et al., 1989; Lal et al., 2001; Madapallimattam et al., 2002). Ainsi, Ardawi et al. (1989) trouvent, chez des rats restreints à 25% de la prise alimentaire de rats nourris ad libitum pendant 21 jours, une diminution de la respiration à l'état 3 et 4 (-21 et -27% pyruvate + malate, -21 et -19% palmitoyl-l-carnitine + malate et -35 et -28% 2-oxoglutarate + malate) dans des mitochondries isolées de gastrocnemius. De même, Lal et al. (2001) rapportent, chez des rats soumis à 23 mois de restriction calorique (restriction de 34%), une diminution de 23% de la consommation d'oxygène (sous oligomycine et avec succinate) des mitochondries isolées de muscles squelettiques de la patte arrière.

Cette diminution de la consommation d'oxygène mitochondriale semble dépendre de l'importance de la perte de poids durant la période d'adaptation à la restriction calorique. Ainsi, Madapallimattam et al. (2002) montrent une corrélation logarithmique négative entre le taux de respiration à l'état 3 de mitochondries de gastrocnemius et le pourcentage de changement de masse obtenu chez des rats restreints de 75% pendant 5, 6, 7, 8, 10 et 11 jours. Il en résulte que la restriction calorique ne s'accompagne d'effets significatifs que chez les animaux ayant perdu 29% de leur masse initiale et seulement pour la respiration à l'état 3 (pyruvate + malate, glutamate + malate et succinate) (Madapallimattam et al., 2002). De même, la respiration mitochondriale pourrait aussi être influencée par la durée de la restriction calorique. Ainsi, Bevilacqua et al. (2004), montrent que la consommation d’oxygène en condition phosphorylante de mitochondries de muscles squelettiques (patte arrière) est diminuée chez des rats restreints (-40% de la prise alimentaire de rats témoins) pendant 2 et 10 semaines mais n’est pas modifiée chez des animaux restreints depuis 6 mois.

Cette diminution de la consommation mitochondriale secondaire à une restriction calorique pourrait aussi dépendre du type de fibres musculaires. Ainsi, Hansen-Smith et al.

(1977) trouvent une diminution de la respiration à l'état 3 sur des biopsies de quadriceps blanc mais pas de changement au niveau du quadriceps rouge de rats restreints (régime réduit en quantité: -60% de la prise alimentaire; et en qualité: -50% de protéines dans le régime pour un premier groupe, régime réduit en quantité: -60% de la prise alimentaire pour un second groupe) durant 8-10 semaines. Il est intéressant de noter que ces auteurs montrent que cette diminution de la consommation d'oxygène s'accompagne d'une perte totale de fibres de types