Organisation structurale et fonctionnelle du métabolisme énergétique dans les cellules musculaires striées en conditions physiologiques et physiopathologiques

par Rafaela Bagur Quetglas

Thèse de doctorat en Physiologie physiopathologies pharmacologie

Sous la direction de François Boucher.

Soutenue le 28-09-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, Mathématiques et Applications (Grenoble) (laboratoire) , Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications [Grenoble] (laboratoire) et de Laboratoire de bioénergétique fondamentale et appliquée (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était José- Antonio Enriquez.

Le jury était composé de François Boucher, Rita Guzun, Tuuli Kaambre, Uwe Schlattner.

Les rapporteurs étaient Jacques Bodennec.


  • Résumé

    La stabilité métabolique des cellules cardiaques est dépendante d'une organisation fonctionnelle qui favorise le transfert des liaisons phosphate depuis les sites de synthèse de l'ATP (mitochondries) jusqu'aux sites d'utilisation de l'énergie. Au niveau mitochondrial, cette fonction est principalement assurée par l'Interactosome Mitochondrial, comprenant les complexes respiratoires, l'ATP synthasome fonctionnellement couplé à la créatine kinase mitochondriale et le pore de la membrane mitochondriale externe VDAC qui régit la diffusion des nucléotides adényliques sous le contrôle de protéines du cytosquelette. Il est communément admis que la situation d'ischémie/reperfusion (IR) du myocarde affecte l'organisation intracellulaire des cardiomyocytes, les phosphorylations oxydatives (OxPhos), ainsi que le transfert de l'énergie cellulaire. L'objectif de ce travail était d'étudier les mécanismes de régulation de la fonction mitochondriale par les interactions entre la tubuline BII et la membrane mitochondriale externe (MME) d'une part et l'organisation de supercomplexes respiratoires (SCR) d'autre part. Différents types de muscles striés (cardiaque et squelettique) ont été utilisés pour étudier le lien entre la tubuline BII et la perméabilité de la MME pour les nucléotides adényliques. De plus, le rôle de la tubuline BII et de l'organisation des SCR ont été étudiés dans la situation physiopathologique de l'IR cardiaque. Dans les cardiomyocytes, comme dans les cellules issues de muscles squelettiques oxydatifs de rats adultes, la tubuline BII est colocalisée avec les mitochondries et la perméabilité de la MME pour l'ADP est faible. A l'aide du système pyruvate kinase/phosphoénolpyruvate, destiné à piéger l'ADP extramitochondrial, nous avons montré que l'affinité apparente d'OxPhos pour l'ADP est directement liée à la perméabilité de la MME. Ainsi, dans le muscle cardiaque comme dans les muscles squelettiques oxydatifs, un fort Km apparent pour l'ADP est associé à une faible perméabilité de la MME à l'ADP et à une forte expression de tubuline BII, présente sous une forme non-polymérisée. A l'inverse, dans les muscles glycolytiques, la très faible teneur en tubuline BII non-polymérisée est associée à une forte perméabilité de la MME aux nucléotides adényliques (faible Km apparent pour l'ADP). Les effets de l'ischémie (20 ou 45 minutes) et de la reperfusion cardiaque (30 minutes) ont été étudiés sur un modèle de coeur isolé perfusé de rat. Les principaux résultats sont que la séquence d'IR induit un réarrangement de la tubuline BII, associé à une réduction du Km apparent pour l'ADP, une baisse du contrôle de la respiration par la créatine et une diminution de la capacité d'OxPhos. Les modifications observées étaient dépendantes de la durée de l'ischémie et variables d'un cœur à l'autre. De plus, le groupe soumis à 20 minutes d'ischémie était caractérisé par la présence de SCR incluant le complexe I et l'absence de perte de cytochrome c (suggérant l'absence d'apoptose cellulaire). A l'inverse, 45 minutes d'ischémie suivies de reperfusion ont conduit à une perte de cytochrome c et à un remodelage de l'ultrastructure mitochondriale, sans modification de l'organisation des SCR. En conclusion, nos résultats soulignent l'importance des interactions mitochondrie-cytosquelette, et plus particulièrement celles impliquant la tubuline BII, dans la compartimentation intracellulaire des nucléotides adényliques et les transferts d'énergie dans les muscles striés oxydatifs. Par ailleurs, la séquence d'IR myocardique induit une désorganisation de la tubuline BII, qui contribue à la dysfonction mitochondriale. Enfin, l'absence de réorganisation des SCR quand la lésion d'IR est irréversible (45 minutes d'ischémie) suggère que le réarrangement des SCR observé après 20 minutes d'ischémie pourrait être l'un des mécanismes adaptatifs mis en jeu pour prévenir la dysfonction mitochondriale à la suite d'une séquence d'IR.

  • Titre traduit

    Structural and functional organization of energy metabolism in striated muscle cells under physiological and pathophysiologogical conditions


  • Résumé

    Cardiac metabolic stability is highly dependent on the intracellular functional organization which favors compartmentalized phosphoryl flux transfer between sites of mitochondrial ATP synthesis and sites of ATP hydrolysis (mainly myofibrillar ATPases). At the level of mitochondria, this function is provided by Mitochonrial Interactosom (IM) which includes respiratory complexes, ATP Synthasom coupled functionally to Mitochondrial Creatine Kinase (MtCK) and Voltage-Dependent Anion Channel (VDAC) regulating ATP/ADP diffusion through its interaction with cytoskeleton proteins. Cardiac ischemia/reperfusion (IR) injury alters intracellular organization, oxidative phosphorylation (OxPhos) and compartmentalized intracellular phosphoryl flux transfer.The aim of this work was to study the regulation of mitochondrial activity by B tubulin II interaction with MOM and by respiratory supercomplex (RSC) organization, under physiological conditions as well as in ischemia/reperfusion in striated muscles. For this purpose, different types of striated muscles (cardiac and skeletal) were used for studying the link between B tubulin II and MOM permeability to adenine nucleotides. In addition, the role of B tubulin II and RSC organization was studied in the pathophysiological context of cardiac ischemia/reperfusion.In cardiac and oxidative skeletal muscles from adult Wistar rats, B tubulin II is colocalized with mitochondria and associated with low MOM permeability to ADP. Using pyruvate kinase and phosphoenolpyruvate trapping system for ADP, we show that the apparent affinity of OxPhos for ADP can be directly linked to the permeability of MOM. High apparent Km for ADP in cardiac and oxidative skeletal muscle is associated with low MOM permeability to ADP and high expression of non-polymerized B tubulin II. Very low expression of non-polymerized B tubulin II in glycolytic muscles is associated with high MOM permeability for adenine nucleotides (low apparent Km for ADP).The effect of the IR-injury was studied by subjecting isolated and perfused Wistar rat hearts to total ischemia (for 20 min and 45 min) followed by 30 min of reperfusion (I20R and I45R groups, respectively). The IR-injury induced intracellular rearrangement of B tubulin II was associated with decreased apparent Km for ADP, creatine-control of respiration and reduced OxPhos capacity. Observed changes were dependent on the duration of ischemia and were heterogeneously present across hearts. Additionally, in the I20R group we evidenced an increase in the content of the RSC embodying complex I in the absence of cytochrome c release (evidencing the absence of apoptosis). Forty five minutes of ischemia followed by reperfusion resulted in increased cytochrome c release and mitochondrial cristae remodeling without alteration of RSC organization.The results of this study highlight the importance of cytoskeleton-mitochondria interactions, and particularly that of B tubulin II, for adenine nucleotide intracellular compartmentalization and phosphoryl flux transfer in oxidative striated muscles. In addition, cardiac IR was shown to induce B tubulin II disorganization contributing to mitochondrial dysfunction. The absence of the RSC reorganization after irreversible IR injury (45 minutes of ischemia) suggests that the rearrangement of RSC observed after 20 minutes of ischemia could be an adaptive mechanism to overcome the IR-induced alterations of mitochondrial function.


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