Rôle des mitochondries dans la régulation des oscillations de calcium des hépatocytes : approches expérimentale et computationnelle

par Dieynaba Ndiaye

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire et moléculaire

Sous la direction de Laurent Combettes et de Geneviève Dupont.

Le président du jury était Michel Laurent.

Le jury était composé de Laurent Combettes, Geneviève Dupont, Michel Laurent, Franck Borgese, Christophe Erneux, Violaine Moreau.

Les rapporteurs étaient Franck Borgese, Christophe Erneux.


  • Résumé

    La signalisation calcique joue un rôle crucial dans la réponse des cellules aux signaux extracellulaires. Ces dernières années, les progrès des techniques de microscopie ont permis de montrer que l’organisation spatio-temporelle du signal calcique était un élément fondamental de la réponse des cellules. L'organisation temporelle du signal calcium se caractérise ainsi par l'observation d'oscillations de calcium dont la fréquence varie en fonction du stimulus. Pour de nombreux types cellulaires, et notamment pour les hépatocytes, modèle cellulaire de notre étude, l’amplitude et la fréquence des oscillations de calcium sont très régulières et finement régulées. Les nombreux facteurs qui interviennent pour assurer cette régulation rendent l'étude de ce processus difficile. Ceci explique que l’étude des oscillations de calcium est un des domaines dans lequel l’aspect expérimental est communément complété avec la modélisation mathématique.Parmi les nombreux éléments qui participent à la régulation du signal calcique, les mitochondries qui ont longtemps été considérées comme ayant un rôle passif, pourraient jouer un rôle important. En effet il a été établi que les mitochondries étaient capables d’accumuler de façon active le calcium libéré par le reticulum endoplasmique. Notre objectif a donc été d’étudier l’importance des mitochondries dans la régulation des oscillations de calcium dans les hépatocytes, et grâce à nos résultats expérimentaux, de mettre au point un modèle mathématique. Pour cela nous avons choisi de modifier la prise de calcium par les mitochondries en altérant le moins possible leur fonctionnement normal. Nous avons utilisé une protéine altérant directement la prise de calcium par les mitochondries (HINT 2) et une autre protéine altérant l’interaction entre le reticulum endoplasmique et les mitochondries (R-1). Nos résultats expérimentaux et computationnels démontrent que la protéine HINT 2 augmente l’activité de la chaine respiratoire, ce qui a pour effet d’accélérer l’accumulation de calcium par les mitochondries et d’augmenter la fréquence des oscillations de calcium cytosolique dans les hépatocytes. En effet le modèle élaboré permet à la fois de reproduire les observations expérimentales mais également de prédire avec succès que l’absence de la protéine Hint 2 rend les mitochondries plus sensibles à l’ouverture du pore de transition mitochondrial (mPTP). Nous avons également démontré que le R-1 n’affecte pas significativement la prise de calcium par les mitochondries mais que sa surexpression aboutit à une élévation de la concentration calcique de base des cellules hépatocytaires. A la lumière de nos résultats, cette élévation de la concentration de calcium basale semble être due à son interaction physique avec la pompe ATPase SERCA 2. Nos résultats nous ont permis de mettre en évidence à la fois la contribution des mitochondries dans la régulation des oscillations de calcium dans les hépatocytes grâce à la protéine Hint 2, mais aussi le lien direct entre la surexpression du R-1 et l’élévation de la concentration en calcium de base dans les cellules HepG2.

  • Titre traduit

    Role of mitochondria in calcium oscillations regulation in hepatocytes : experimental and computational approaches


  • Résumé

    Calcium signaling plays a crucial role in cell response to external stimuli. These last years, the progress of the microsocopy techniques allowed demonstrate that spatio-temporal organisation of the calcium signal is fundamental for cell physiology. This spatio-temporal organization is characterized by the observation of calcium oscillations whose frequency varies according to the stimulus. For many cell types in particular hepatocytes, calcium oscillations amplitude and frequency are regular and finely regulated. The large range of actors involved in this regulation explains the complexity of studying this process. This explains why the calcium oscillations studies are one of the area in which the experimental approach is commonly associated with computational approaches.Among all the elements participating in the regulation of calcium signaling, mitochondria that have been thought for many years to play a passive role may have a greater role. Indeed it has been shown that mitochondria are able to accumulate actively calcium from the endoplasmic reticulum.Our goal was to study the importance of mitochondria in calcium oscillations regulation in hepatocytes and to elaborate a model based on these experimental results. For that purpose we choose to change the calcium uptake by mitochondria using techniques that didn’t kill them. We used a protein that alters directly mitochondrial calcium uptake (Hint 2), and a protein involved in the interaction between endoplasmic reticulum and mitochondria (R-1).Our experimental and computational results show that HINT 2 enhances the electron transport chain activity, which lead to faster mitochondrial calcium uptake and faster calcium oscillations in the cytosol of hepatocytes. The model allows us not only to reproduce experimental data but also to successfully predict that the loss of HINT 2 lead the mitochondria to be more sensitive to the mitochondrial transition pore opening (mPTP).We also demonstrate that R-1 doesn’t change mitochondrial calcium uptake, but its over expression lead to a higher calcium concentration in resting cells. In the light of our results, this higher calcium concentration seems to be the result of R-1 interaction with ATPase pump SERCA 2.Our results allowed us to show not only the role of mitochondria in the regulation of hepatocytes calcium oscillations by HINT 2, but also the link between R-1 over expression and a higher calcium concentration in the cytosol of HepG2 cells.


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