La bioénergétique systémique moléculaire des cellules cardiaques : la relation structure-fonction dans la régulation du métabolisme énergétique compartmentalisé

par Marcela Alejandra Gonzalez Granillo

Thèse de doctorat en Sciences de la vie

Sous la direction de Valdur Saks et de Yves Usson.

Soutenue le 28-09-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Bioénergétique Fondamentale et Appliquée (équipe de recherche) .

Le président du jury était François Boucher.

Le jury était composé de Anne Cantereau, Uwe Schlattner, Andrey Kuznetsov.

Les rapporteurs étaient Pierre Dos santos, Yves Tourneur.


  • Résumé

    An important element of metabolic regulation of cardiac and skeletal muscle energetics is the interaction of mitochondria with cytoskeleton. Mitochondria are in charge of supplying the cells with energy, adjusting its functional activity under conditions of stress or other aspects of life. Mitochondria display a tissue-specific distribution. In adult rat cardiomyocytes, mitochondria are arranged regularly in a longitudinal lattice at the level of A band between the myofibrils and located within the limits of the sarcomeres. In interaction with cytoskeleton, sarcomeres and sarcoplasmic reticulum they form the functional complexes, the intracellular energetic units (ICEUs). The ICEUs have specialized pathways of energy transfer and metabolic feedback regulation between mitochondria and ATPases, mediated by CK and AK. The central structure of ICEUs is the mitochondrial interactosome (MI) containing ATP Synthasome, respiratory chain, mitochondrial creatine kinase and VDAC, regulated by tubulins. The main role of MI is the regulation of respiration and the intracellular energy fluxes via phosophotransfer networks. The regulation of ICEUs is associated with structural proteins. The association of mitochondria with several cytoskeletal proteins described by several groups has brought to light the importance of structure-function relationship in the metabolic regulation of adult rat cardiomyocytes. To purvey a better understanding of these findings, the present work investigated the mechanism of energy fluxes control and the role of structure-function relationship in the metabolic regulation of adult rat cardiomyocytes. To show these complex associations in adult cardiac cells several proteins were visualized by confocal microscopy: α-actinin and β-tubulin isotypes. For the first time, it was showed the existence of the specific distribution of β-tubulin isotypes in adult cardiac cells. Respiratory measurements were performed to study the role of tubulins in the regulation of oxygen consumption. These results together confirmed the crucial role of cytoskeletal proteins -i.e. tubulins, α-actinin, plectin, desmin, and others- for the normal shape of cardiac cells as well as mitochondrial arrangement and regulation. In addition, in vivo - in situ mitochondrial dynamics were studied by the transfection of GFP-α-actinin, finding that fusion phenomenon does not occur as often as it is believed in healthy adult cardiac cells.

  • Titre traduit

    Molecular system bioenergetics of cardiac muscle cells : structure-function relationship in regulation of compartmentalized energy metabolism.


  • Résumé

    Un élément important de la régulation du métabolisme énergétique des muscles cardiaque et squelettiques est l'interaction des mitochondries avec le cytosquelette. Les mitochondries sont responsables de l'approvisionnement des cellules en énergie, elles sont capables d'ajuster leur activité fonctionnelle en fonction des conditions de stress ou d'autres aspects de la vie. Les mitochondries ont une distribution spécifique selon les tissus. Dans les cardiomyocytes de rats adultes, les mitochondries sont disposées régulièrement dans un entrelacement longitudinal au niveau des bandes A, entre les myofibrilles et dans les limites des sarcomères. En interaction avec le cytosquelette, le sarcomère et le réticulum sarcoplasmique, elles forment des complexes fonctionnels appelés unités énergétiques intracellulaires (ICEUs). Les ICEUs ont des voies spécialisées de transfert d'énergie et de régulation des feedback métaboliques entre les mitochondries et les ATPases, médiée par la CK et l'AK. La structure centrale des ICEUs est l'interactosome mitochondrial (MI) qui confient l'ATP synthasome, la chaîne respiratoire, la créatine kinase mitochondriale et VDAC, qui pourrait être régulé par les tubulines. Le rôle principal du MI est la régulation de la respiration et des flux d'énergie intracellulaires via les réseaux de phosphotransfert. La régulation des ICEUs est liée aux protéines structurales. L'association des mitochondries avec plusieurs protéines du cytosquelette, décrite par plusieurs groupes, a mis en évidence l'importance de la relation structure-fonction dans la régulation métabolique des cardiomyocytes de rats adultes. Pour fournir une meilleure compréhension de ces résultats, le présent travail étudie le mécanisme de contrôle des flux d'énergie et le rôle des relations structure-fonction dans la régulation métabolique de cardiomyocytes de rats adultes. Pour montrer ces associations complexes dans les cellules cardiaques adultes, plusieurs protéines ont été visualisées par microscopie confocale: l'α-actinine et les isoformes des β-tubulines. Pour la première fois, l'existence d'une distribution spécifique des isoformes de β-tubuline dans les cellules cardiaques adultes a été montré. Des mesures respiratoires ont été réalisées pour étudier le rôle des tubulines dans la régulation de la consommation d'oxygène. Ces résultats ont confirmé le rôle déterminant des protéines du cytosquelette -tubulines, α-actinine, plectine, desmine, et autres- pour le maintien de la forme normale des cellules cardiaques, ainsi que de l'arrangement et de la régulation mitochondrial. En outre, la dynamique mitochondriale a été étudiée in vivo et in situ par la transfection de la GFP-α-actinine, ceci permettant la mise en évidence du fait que le phénomène de fusion ne se produit pas aussi souvent qu'on ne le croit pour des cellules cardiaques adultes en bonne santé.


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