Dynamique mitochondriale et métabolisme...

28
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

Transcript of Dynamique mitochondriale et métabolisme...

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-/-

Cœur et insuffisance cardiaque

Altération dans la pathologie ?

Le Chen et al., CardioVasc Res, 2009

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

Remerciements

Jérôme PIQUEREAU Fanny CAFFIN Dominique FORTIN Florence LEFEBVRE Philippe MATEO Anne GARNIER Vladimir VEKSLER Renée VENTURA-CLAPIER Valérie NICOLAS Valérie DOMERGUE

U769 INSERM

Faculté de Pharmacie de Châtenay-Malabry

Rodolphe FISCHMEISTER

Marcel ALAVI Marta NOVOTOVA Allen KAASIK