Dynamique mitochondriale et métabolisme musculaire
Frédéric JOUBERT
Signalisation et Physiopathologie Cardiaque Inserm UMR-S 769 LabEx LERMIT
Faculté de Pharmacie - IFR141 Université Paris-Sud, Chatenay-Malabry France
La dynamique mitochondriale : c’est quoi ?
Kanamaru et al., J Signal Transduct, 2012
Tous les phénomènes impliqués dans le mouvement des mitochondries, la régulation
de leur morphologie, et les processus de fusion et de fission.
Existence de ces phénomènes dans la cellule musculaire striée ?
Diversité du réseau mitochondrial en fonction du type cellulaire
Kuznetsov et al., Int J Biochem Cell Biol, 2009
Cardiomyocytes adultes Muscle squelettique Cellules pancréatiques
Cellules HL-1 Hépatocytes Cellules promyéloides
Existence d’une motilité mitochondriale dans la cellule cardiaque ?
Beraud et al., J Bioenerg Biomembr, 2009
Connectivité du réseau mitochondrial dans la cellule cardiaque adulte ?
40-50 % de retour de fluorescence -> Réseau connecté
Cellule néonatale (Marquage avec une GFP adressée à la COX)
Cellule adulte (marquage avec adenovirus GFP adressée à la COX)
15 % de retour de fluorescence -> Réseau peu connecté
données non publiées
A quoi sert la fusion et la fission mitochondriale ?
Biogénèse mitochondriale
Transcription
Traduction
Réplication
fission fusion mDNA
ADN nucléaire
assemblage
PGC1a normalisé (RNA]
0
100
200
300
400
3 jours 7 jours 3 semaines 9 semaines
** **
CS normalisé [RNA]
0
100
200
300
400
500
600
3 jours 7 jours 3 semaines 9 semaines
**
** **
données non publiées
Développement postnatal
MFN2 normalisé [RNA] µg/mg tissus
0
50
100
150
200
250
3 jours 7 jours 3 semaines 9 semaines
MFN1 par [RNA]µg/mg tissus
0
100
200
300
400
3 jours 7 jours 3 semaines 9 semaines
*
**
**
OPA1 normalisé [RNA] µg/mg tissus
0
100
200
300
400
500
600
3 jours 7 jours 3 semaines 9 semaines
*** ***
DRP1 normalisé [RNA]µg/mg tissus
0
100
200
300
3 jours 7 jours 3 semaines 9 semaines
*
**
Contrôle qualité des mitochondries
Twig et al., BBA Bioenergetics, 2008
Permet, suite au dysfonctionnement d’une
mitochondrie, de la remettre en état en partageant
des lipides, des protéines, etc. et de récupérer un
potentiel de membrane… ou sa dégradation par
mitophagie.
A quoi sert la fusion et la fission mitochondriale ?
Autres fonctions
OPA1 :
• Rétention du cytochrome c
• Maintien des crêtes, organisation
•des membranes
• Fixation de l’ADN mitochondrial
Mfn1,2 :
• Connexion Mitochondries-RE
Merkwirth et Langer Cell 2008
Drp1 :
• Régulation par phosphorylation,
dépendant du calcium et de la
calcineurine
Rôle dans l’apoptose, dans la signalisation calcique
Autres rôles des protéines de la fusion et de la fission mitochondriale
Szabadkai et al. Molecular Cell 2004
Rôle dans le métabolisme et la signalisation énergétique ?
Olichon et al., BBA Mol Cell Res 2006
Elachouri et al., Genome Res 2011
Cereghetti and Scorrano,
Oncogène, 2006
Comment ces processus peuvent moduler le métabolisme musculaire ?
Para et al., J Bioenerg Biomembr 2011
En général, on considère que
la fragmentation = néfaste
la fusion = bénéfique
Mais lien entre morphologie
des mitochondries et production
d’ATP / QO2 pas si clair
Résultats contradictoires
Dépend du type cellulaire
Modèle animal utilisé : les souris OPA1+/- (Alavi et al., 2007)
• OPA1 exprimée de manière ubiquitaire
• Responsable de la fusion des membranes internes des mitochondries • Mutation dans des pathologies comme l’Atrophie Optique Dominante (ADOA) (Delettre et al. 2000)
• Potentiellement impliquée dans l’insuffisance cardiaque (Chen et al., 2009)
0
20
40
60
80
100
OPA1+/+ OPA1+/-
OPA
1 p
rote
in (AU)
%
8 8
***
OPA1 +/+ OPA1 +/- Mw
95 kDa
Nisoli et al. J Cell Sci 2006
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
Impact sur l’architecture du réseau mitochondriale du cardiomyocyte et paradoxe
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
Modèle OPA1+/- Modèle Mfn2-/-
Papanicolaou et al., Mol Cell Biol, 2011 Piquereau et al., CardioVasc Res, 2011
Papanicolaou et al., Am J Physiol
Heart Circ Physiol, 2012
Modèle Mfn1-/-
fragmentation Apparition de grandes mitochondries
Impact sur la respiration mitochondriale /utilisation des substrats
Piquereau et al., CardioVasc Res, 2011
Modèle OPA1+/-
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
0
10
20
30
40
50
60
70
V0 Vmax C I
Vmax C I+II
Vmax C II
V02 (µmol O
2/m
in/g
dry
wt)
OPA1+/+
OPA1+/-
16 15 16 15 16 15 16 15
Km
ADP (µ
M)
0
100
200
-Cr +Cr
*
* OPA1+/+
OPA1+/-
12 12 11 8
50
150
250
0
5
10
15
20
25
30
***
V02 (
µm
ol O
2/m
in/g
dry
wt)
13 24
Opa1+/+ Opa1+/-
Octanoyl-carnitine
UI/g
pro
t
0
1000
2000
CS Complex I Total CK
Opa1+/+
Opa1+/-
8 8 8 8 8 8
mR
NA
, re
lati
ve t
o c
on
tro
l
E
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
*
*
Biogenesis Glucose
transport
Lipid
utilization
Impact sur les transferts énergétiques
Piquereau et al., CardioVasc Res, 2011
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
Altérations des régulations locales sans changement des capacités oxydatives
0
1
2
3
+CK+MITO +MITO +CK
Eff
icacité
relative
9 12 9 12 9 12
*
0
0,5
1
1,5
2
+CK+MITO +MITO +CK Eff
icacité
relative
9 9 9 9 7 7
SR-Mitochondries
Myofibrilles-Mitochondries
MITOCHONDRIA
ATPase
CK
ATP ADP
PCr
ATP
ADP
ATP
cytosol
ATP ADP
Glycolytic complexes
Myokinase PCr
Modèle OPA1+/-
Papanicolaou et al., Mol Cell Biol, 2011 Modèle Mfn2-/-
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
Modèle Mfn1-/-
Papanicolaou et al.,
Am J Physiol Heart Circ
Physiol, 2012
Impact sur le fonctionnement du PTP
Piquereau et al., CardioVasc Res, 2011
[Ca2+] = 2 µM
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-100 0 100 200 300 400 500 600
time (s)
Rh
od
-2 f
luo
rescen
ce (
in A
.U.)
Opa1+/+
Opa1+/-
Opa1+/+ + CsA
[Ca2+] = 2 µM
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
-100 0 100 200 300 400 500 600
time (s)
Calc
ein
flu
ore
scen
ce (
in A
.U.)
Papanicolaou et al., Mol Cell
Biol, 2011
Modèle OPA1+/- Modèle Mfn2-/-
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
Modèle Mfn1-/-
Papanicolaou et al.,
Am J Physiol Heart Circ
Physiol, 2012
Sensibilité à un stress physiologique et muscles squelettiques
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
- Même capacité physique
- Pas de trouble métabolique (glucose, cholestérol, triglycérides normaux)
Distance
(Km)
Semaines 0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
OPA1 +/+ (19)
OPA1 +/- (17) Semaines
Vitesse Maximale
(km/h)
* *
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Sensibilité à un stress physiologique
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
Vitesse Maximale (Km/h)
Distance (Km) 20
0
1
2
3
4 *** ***
OPA1 +/+ OPA1 +/- 0
5
10
15
*** *
*
OPA1 +/+ OPA1 +/-
OPA1 +/- Sédentaires (6) OPA1 +/- Entrainés (8)
OPA1 +/+ Sédentaires (8)
OPA1 +/+ Entrainés (9)
Sensibilité à un stress physiologique
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
CS SOLEAIRE
0 100 200 300 400 500 600 700
Activité
(U
I/g p
rot)
COX SOLEAIRE
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Activité
(U
I/g p
rot)
OPA1+/+ OPA1+/+
activité
OPA1+/- OPA1+/-
activité
OPA1+/+ OPA1+/+
activité
OPA1+/- OPA1+/-
activité
CS PLANTARIS
0
100 200
300
400 500
600 ***
Activité
(U
I/g p
rot)
OPA1+/+ OPA1+/+
activité
OPA1+/- OPA1+/-
activité
COX PLANTARIS
0 100 200 300 400 500 600 700 800
**
Activité
(U
I/g p
rot)
OPA1+/+ OPA1+/+
activité
OPA1+/- OPA1+/-
activité
CS GASTROC
0
50
100
150
200
250 ***
OPA1+/+ OPA1+/+
activité
OPA1+/- OPA1+/-
activité
Activité
(U
I/g p
rot)
COX GASTROC
0 20 40 60 80 100 120 140 160 ***
OPA1+/+ OPA1+/+
activité
OPA1+/- OPA1+/-
activité
Activité
(U
I/g p
rot)
Sensibilité à un stress physiologique
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
GASTROCNEMIEN
0
2
4
6
8
10
12
*** **
Utilisation AG (%)
9 17 9 13
OPA1 +/+ OPA1 +/-
PLANTAIRE
Utilisation AG (%)
0
4
8
12
16 *
7 7 7 6
OPA1 +/+ OPA1 +/-
Sensibilité à un stress pathologique
Piquereau et al., CardioVasc Res, 2011
0
2
4
6
8
10
12
14
HW
/BW
(mg
/g)
12 13 14 12
Sh
am
TA
C
Sh
am
TA
C
Opa1 +/+ Opa1 +/-
***
##
***
0
5
10
15
20
25
30
35
40
FS
(%
)
Sh
am
TA
C
Sh
am
TA
C
Opa1 +/+ Opa1 +/-
#
**
11 11 14 13
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
LV
ED
V (
ml)
11 11 14 13
*
Sh
am
TA
C
Sh
am
TA
C
Opa1 +/+ Opa1 +/-
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
LV
ES
V (
ml)
Sh
am
TA
C
Sh
am
TA
C
Opa1 +/+ Opa1 +/-
11 11 14 13
#
***
*
Papanicolaou et al., Mol Cell Biol, 2011
Modèles animaux pour étudier le rôle des protéines de la dynamique
TAC Ischémie-reperfusion
Modèle Mfn2-/-
Altération dans la pathologie ?
données non publiées
0
20
40
60
80
100
120
LV SOL GAS
Mfn1 mRNA (AU.mg-1 ww)
**
0
20
40
60
80
100
120
LV SOL GAS
Mfn2 mRNA (AU.mg-1 ww)
**
**
*
0
20
40
60
80
100
120
LV SOL GAS
Opa1 mRNA (AU.mg-1 ww)
**
*
*
0
20
40
60
80
100
LV SOL GAS
Fis1 mRNA (AU.mg-1 ww)
**
0
20
40
60
80
100
LV SOL GAS
Drp1 mRNA (AU.mg-1 ww)
* *
SHAM HF
De Sousa et al Circ Res 1999
Altération dans la pathologie ?
Capacité oxydative
0
10
20
30
40
Sham CHF
µm
ole
O 2
/min
/g d
w
Activité citrate synthase
0
0,5
1
1,5
2
Sham CHF
IU/m
g p
rote
in
*** ***
Altération dans la pathologie ?
données non publiées
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
LV SOL GAS LV SOL GAS
Mfn1mRNA/CSactivity Mfn2mRNA/CSactivity
**
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
LV SOL GAS
Opa1mRNA/CSactivity
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
LV SOL GAS
Drp1mRNA/CSactivity
*
SHAM HF
Altération dans la pathologie ?
0,0
0,5
1,0
1,5
LV SOL GAS
Fis1/Drp1
0,0
0,5
1,0
1,5
LV SOL GAS
Mfn1/Drp1
*** *
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
LV SOL GAS
Mfn2/Drp1
*
0,0
0,5
1,0
1,5
LV SOL GAS
Opa1/Drp1
***
SHAM HF
Mitochondrion volume (in µ m3) Mitochondrion volume (in
0%
20%
40%
60%
80%
Small
(< 1 µ m3)
Medium
(between 1 and 6 µ m3)
Large
(> 6 µ m3)
% o
f m
ito
ch
on
dri
on
vo
lum
e
***
*
Size of
mitochondrion
0%
20%
40%
60%
80%
Small
(< 1 µ
Medium
(between 1 and 6 µ
Large
(> 6 µ
% o
f m
ito
ch
on
dri
on
vo
lum
e
Size of
mitochondrion
*
données non publiées
Cibles thérapeutiques ?
Ong et al., Circulation, 2010 Ong et al., Antioxidants & Redox Signaling, 2012
Conclusion
• résultats différents sur un muscle mature par rapport aux cultures cellulaires
• rôle des protéines de la dynamique mitochondriale das le coeur
- dans le métabolisme énergétique
- dans la biogénèse mitochondriale
- dans le fonctionnement du PTP
- dans les interactions entre organites
- …
• cibles thérapeutiques potentielles
• champ de recherche récent, nécessité de mieux comprendre comment la
plasticité mitochondriale est possible dans un environnement dense comme
celui des cellules cardiaques et musculaires
Attention : lien entre morphologie et fonction pas toujours clair et nécessité de tenir
compte de la quantité de mitochondries