Mécanismes moléculaires des dysfonctions mitochondriales placentaires au cours de l'obésité maternelle

par Marta Hita hernandez

Projet de thèse en Biologie de la reproduction

Sous la direction de Marie-Noëlle DieudonnÉ.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants , en partenariat avec Biologie de la Reproduction, Environnement, Epigénétique et Développement (laboratoire) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (référent) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    Le placenta est un organe transitoire présent à l'interface entre la mère et le fœtus. Il assure des fonctions endocrines, d'échanges et de protection immunitaire. Le placenta est un organe métaboliquement très actif avec des besoins en ATP élevés ce qui conduit à une hyperactivité mitochondriale. Ainsi, cet organe présente un stress oxydatif « physiologique » résultant de la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). Le placenta produit également d'autres ROS telles que l'oxyde nitrique, le monoxyde de carbone et le peroxynitrite qui influencent les fonctions placentaires et en particulier la prolifération et la différenciation des cellules trophoblastiques (1). La fonction mitochondriale est donc essentielle au bon développement et fonctionnement du placenta. Des études démontrent que certaines pathologies de la grossesse telles que la pré-éclampsie et le diabète sont associées à des défauts de la biogenèse et des fonctions mitochondriales dans le placenta humain (2,3). Dans le cas de l'obésité maternelle, le placenta est exposé à un environnement lipotoxique et inflammatoire dû à l'excès de masse grasse. Différents travaux ont montré que les statuts lipidique et inflammatoire sont altérés dans les placentas de femmes obèses (4-6). Cependant, à ce jour, les données de la littérature restent controversées compte tenu de la disparité des populations d'étude (ethnie, présence ou non de diabète gestationnel, intervalle d'indice de masse corporelle…). Une étude très récente réalisée dans notre laboratoire, montre de manière surprenante, que l'obésité maternelle est associée à une diminution du statut inflammatoire du placenta humain (7). Ces premiers résultats suggèrent que le placenta répond et s'adapte face à l'environnement pro-inflammatoire maternel. Concernant le statut lipidique, plusieurs études révèlent que le métabolisme des lipides est centré sur la synthèse des triglycérides qui s'accumulent de manière plus importante dans le placenta de femmes obèses. Ce stockage des triglycérides, qui semble résulter d'une diminution de l'oxydation mitochondriale des acides gras, pourrait conduire à une lipotoxicité placentaire (8). En utilisant un modèle de lapin, notre unité de recherche a mis en évidence une adaptation du métabolisme lipidique placentaire en réponse à l'obésité maternelle. En particulier, comme dans le modèle humain, le placenta accumule des triglycérides et ceci de manière plus importante chez les fœtus mâles que chez les fœtus femelles. De plus, cette étude montre que l'expression placentaire de gènes impliqués dans les voies du métabolisme lipidique tels que LXR (Liver X Receptors) est également dérégulée par l'obésité maternelle avec des spécificités de genre (9). Dans ce contexte, nous souhaitons étudier le rôle des lipides/acides gras sur les fonctions mitochondriales en précisant le statut oxydatif/nitrosatif et le statut inflammatoire du placenta humain. Les spécificités liées au sexe du fœtus seront également évaluées. Les modifications les plus pertinentes observées dans le placenta humain seront étudiées dans le modèle lapin. Le but de ce travail est, à plus long terme, d'utiliser ce modèle animal pour tester des stratégies correctives de l'obésité maternelle. Planning de travail sur 3 ans : 1ère année : Approche ex-vivo (modèle humain) Dans des échantillons placentaires issus de banques déjà constituées dans notre laboratoire (10), les profils d'acides gras et de lipides (membranaires, neutres et complexes) seront analysés par chromatographie en phase gazeuse et LC-MS/MS (10 contrôles, 10 obèses). De plus, la nature des métabolites potentiellement lipotoxiques sera également analysée par LC-MS/MS en collaboration avec l'UMR1280 INRA Nantes. En parallèle, une analyse transcriptomique (RNAseq et RT-qPCR) sera réalisée sur les mêmes échantillons placentaires pour déterminer les cibles moléculaires du métabolisme lipidique (estérification, béta oxydation mitochondriale) en utilisant la plateforme génomique de l'UFR S Veil-Santé UVSQ. Dans des échantillons sanguins, des marqueurs biochimiques (bilan lipidique et inflammatoire) et du stress oxydant (mesure enzymatique) seront mesurés chez la mère et le fœtus (10 contrôles, 10 obèses pour chaque couple mère-fœtus). 2ème année : Approche in vitro (modèle humain) Après avoir déterminé la nature précise des molécules lipotoxiques (1ère année), leurs rôles sur 1) le nombre et la fonction des mitochondries (production d'ATP, consommation d'oxygène, mitotraker) et 2) le stress oxydatif et nitrosatif (production de NO et de ROS, protéines carbonylées et nitrosylées) seront étudiés sur des cultures primaires de trophoblastes humains issus de placentas contrôles et/ou en utilisant une perfusion placentaire d'isotopes stables. En parallèle, une analyse transcriptomique (RNAseq et RT-qPCR) sera réalisée sur les mêmes échantillons pour préciser les cibles moléculaires impliquées (enzymes pro- ou antioxydantes…). 3ème année : Validation du modèle lapin Dans des échantillons placentaires de lapin issues de banques déjà constituées (10 contrôles, 10 obèses), les cibles moléculaires précédemment identifiées dans le modèle humain seront étudiées pour valider ce modèle animal en vue de son utilisation ultérieure pour des stratégies correctives nutritionnelles de l'obésité maternelle. L'ensemble de ce travail devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à l'origine des dysfonctions mitochondriales dans le placenta humain au cours de l'obésité maternelle.

  • Titre traduit

    Molecular mechanisms of placental mitochondrial dysfunctions during maternal obesity


  • Résumé

    The placenta is a transient organ at the interface between the mother and the fetus. It provides endocrine, exchange and immune functions. All these major functions require the availability of high energy which leads to mitochondrial hyperactivity. Thus, this organ presents a “physiological” oxidative stress resulting from the production of reactive oxygen species (ROS). The placenta also produces other ROS such as nitric oxide, carbon monoxide and peroxynitrite which influence placental functions and in particular the proliferation and differentiation of trophoblastic cells (1). So, placental mitochondria are critical to a healthy pregnancy. Studies show that several pathologies of pregnancy such as pre-eclampsia and diabetes are associated with defects in biogenesis and mitochondrial functions in the human placenta (2, 3). In the case of maternal obesity, the placenta is exposed to a lipotoxic and inflammatory environment due to excess fat mass. Various studies have shown that the lipid and inflammatory status are altered in the placenta of obese women (4-6). However, to date, the data in the literature remain controversial given the disparity of the study populations (ethnicity, presence or absence of gestational diabetes, interval of body mass index, etc.). A very recent study carried out in our laboratory shows surprisingly that maternal obesity is associated with a decrease in the inflammatory status of the human placenta (7). These initial results suggest that the placenta responds and adapts to the maternal pro-inflammatory environment. Regarding lipid status, several studies show that lipid metabolism is centered on the synthesis of triglycerides which accumulate more significantly in the placenta of obese women. This storage of triglycerides, which appears to result from a reduction in mitochondrial fatty acid oxidation, could lead to placental lipotoxicity (8). Using a rabbit model, our research unit demonstrated an adaptation of placental lipid metabolism in response to maternal obesity. In particular, as in the human model, the placenta accumulates triglycerides and this is more important in male fetuses than in female fetuses. In addition, this study shows that the placental expression of genes involved in lipid metabolism pathways such as LXR (Liver X Receptors) is also deregulated by maternal obesity with gender specificities (9). In this context, we wish to study the role of lipids / fatty acids on mitochondrial functions by specifying the oxidative / nitrative status and the inflammatory status of the human placenta according to the sex of the fetus. The most relevant changes observed in the human placenta will be studied in the rabbit model. The aim of this work is, in the longer term, to use this animal model to test corrective strategies for maternal obesity. Planning over 3 years: 1st year: Ex-vivo approach (human model) In placental samples already established in our laboratory (10), the fatty acid and lipid profiles will be analyzed by gas chromatography and LC-MS / MS (10 controls, 10 obese). In addition, the nature of the potentially lipotoxic metabolites will also be analyzed by LC-MS / MS in collaboration with the UMR1280 INRA Nantes. In parallel, a transcriptomic analysis (RNAseq and RT-qPCR) will be performed on the same placental samples to determine the molecular targets of lipid metabolism (esterification, mitochondrial beta oxidation) using the genomic platform of the UFR S Veil-Santé UVSQ. In blood samples, biochemical markers (lipids and inflammatory cytokines) and oxidative stress markers (enzymatic measurement) will be measured in the mother and the fetus (10 controls, 10 obese for each mother-fetus couple). 2nd year: In vitro approach (human model) After determining the precise nature of the lipotoxic molecules (1st year), their roles in 1) the number and function of mitochondria (ATP production, oxygen consumption, mitotraker) and 2) oxidative and nitrative stress (production of NO and ROS, protein carbonyls and nitrotyrosine) will be studied on cultures of human primary trophoblasts from control placentas and/or using a placental perfusion of stable isotopes. In parallel, a transcriptomic analysis (RNAseq and RT-qPCR) will be carried out on the same samples to determine the molecular targets involved in mitochondrial dysfunctions (pro- or antioxidant enzymes, etc.). 3rd year: Validation of the rabbit model In rabbit placental samples already established in our laboratory (10 controls, 10 obese), the molecular targets previously identified in the human model will be studied to validate this animal model with a view to its subsequent use for nutritional corrective strategies for maternal obesity. All of this work should provide a better understanding of the molecular mechanisms underlying mitochondrial dysfunctions in the human placenta during maternal obesity.