Énergétique mitochondriale et vieillissement musculaire : de l’in vivo vers le moléculaire, Mitochondrial energetics and skeletal muscle aging : from in vivo to the molecular level

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Sous la direction de Isabelle Bourdel-Marchasson
Thèse soutenue le 25 octobre 2010: Bordeaux 2
Le vieillissement musculaire est caractérisé par des pertes progressives de masse et de fonction. Des altérations de l’énergétique mitochondriale pourraient être impliquées dans ce processus. Dans cette thèse, l’analyse modulaire du contrôle métabolique a été appliquée chez le rat à différents niveaux d’intégration pour caractériser les effets du vieillissement sur la fonction mitochondriale. Combinée à la spectroscopie RMN du 31P, cette approche a permis de montrer in vivo dans le muscle gastrocnemius une diminution de la réponse de phosphorylation oxydative mitochondriale face à des variations de concentration des intermédiaires énergétiques chez les rats âgés (21 mois vs. 6 mois). Suivant les principes de l’analyse Top-Down, les propriétés de la phosphorylation oxydative ont été étudiées sur des mitochondries isolées à partir du muscle gastrocnemius. La capacité maximale de production d’ATP est réduite chez les rats âgés, alors que le rendement maximal (rapport ATP/O) de la phosphorylation oxydative reste inchangé. L’application de l’analyse modulaire in vitro a révélé chez les rats âgés une augmentation de la réponse (élasticité) du module phosphorylation face à des variations du potentiel de membrane. Cette élasticité plus élevée explique la modification du schéma de contrôle de la phosphorylation oxydative pour des activités de phosphorylation compatibles avec celles étudiées in vivo. Elle explique également le plus faible potentiel de membrane généré par les mitochondries de rats âgés pour un même niveau d’activité de phosphorylation. De nombreux processus pourraient de fait être affectés : production de radicaux libres, homéostasie calcique, voies de signalisation impliquées dans le contrôle de la masse musculaire. Les modifications des propriétés fonctionnelles de l’ANT démontrées dans cette thèse sont en mesure d’expliquer, au moins en partie, les modifications de l’énergétique mitochondriale révélées à la fois in vitro et in vivo chez les rats âgés.
-Énergétique mitochondriale
-Vieillissement
-Muscle Squelettique
-Analyse Modulaire du Contrôle Métabolique
-Échangeur ATP/ADP
Skeletal muscle aging is characterized by a progressive loss of muscle mass and function. Involvement in this process of an impaired mitochondrial bioenergetics was proposed but is still extensively debated. The aim of this thesis was to take adventage of the capabilities of modular control analysis approach to get better insights in the effects of aging on mitochondrial function. We first studied the integrated muscle energetics in adult (6 months) and aged (21 months) rats using the modular control analysis approach combined with non-invasive 31P NMR spectroscopy measurements of energetic intermediates. The in vivo activation of mitochondrial oxidative phosphorylation in response to an increase in ATP demand was markedly decreased in the gastrocnemius muscle of aged rats. To further define the effects of aging on mitochondrial energetics, we thus studied the oxidative phosphorylation in mitochondria isolated from the gastrocnemius muscle. Maximal oxidative phosphorylation capacity is clearly reduced in aged rats, while mitochondrial efficiency is unaffected. Application of modular control analysis to the study of oxidative phosphorylation revealed an increased sensitivity (elasticity) of the phosphorylation module in response to changes in membrane potential in aged rats. This increased elasticity is responsible for a modified control pattern of oxidative phosphorylation under low phosphorylation activities. Interestingly these low activities certainly correspond to those we studied in vivo. This increased elasticity of the phosphorylation module is responsible for a modified mitochondrial response toward changes in cellular ATP demand, leading to a decreased membrane potential, which may in turn affect many cellular processes such as ROS production, calcium homeostasis and some signaling pathways involved in the control of muscle mass. The modified ANT properties evidenced in this thesis certainly explain, at least in part, the modified mitochondrial energetics reaveled both in vitro and in vivo in aged rats.
-Mitochondrial energetics
-Aging
-Skeletal Muscle
-Modular Control Analysis
-Adenine nucleotide translocator
Source: http://www.theses.fr/2010BOR21735/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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Université Victor Segalen Bordeaux 2
Année 2010 Thèse N°1735
THÈSE
pour le
Doctorat de L’Université Bordeaux 2
Mention : Sciences, Technologie, Santé
Option : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
Présentée et soutenue publiquement le :
25 Octobre 2010
par
Gilles Gouspillou
Énergétique mitochondriale et vieillissement musculaire :
de l’in vivo vers le moléculaire
Travail réalisé au sein de l’UMR 5536 CNRS - Université Victor Segalen Bordeaux 2
Membres du Jury :
Mr. le Professeur Jean-Pierre Mazat Université Bordeaux 2 Président
Mr. le Professeur Xavier Bigard CRSSA La Tronche Rapporteur
Mme. le Docteur Gillian Butler-Browne INSERM - Université Paris 6
Mr. le Professeur Yves Rolland Gérontopôle de Toulouse Examinateur
Mr. le Pr Jean-Michel Franconi Université Bordeaux 2
Mr. le Docteur Philippe Diolez CNRS - Université Bordeaux 2
Mme. le Professeur Isabelle Bourdel-Marchasson Université Bordeaux 2 DirecteurÀ ma famille, à mes proches, à Marion ...Remerciements
lus qu’une simple aventure scientifique, une thèse est avant tout une épopéeP humaine. Je tiens donc à remercier l’ensemble des personnes qui ont contribué,
de part leurs connaissances, compétences et/ou qualités humaines, à l’aboutissement
de ces travaux de recherches.
Je tiens en premier lieu à remercier l’ensemble des membres de mon Jury :
– Mr. le Professeur Jean-Pierre Mazat, je vous remercie de m’avoir fait l’honneur
de présider mon jury de thèse. Éminent spécialiste de l’énergétique mitochondriale
et de l’analyse du contrôle métabolique, vous nous avez permis de partager une
discussion des plus stimulantes lors de ma soutenance.
– Parce mes travaux se proposent d’étudier l’énergétique mitochondriale à diffé-
rents niveaux d’intégration, allant de l’in vivo au moléculaire, évaluer ce manuscrit
n’était très certainement pas une chose aisée. Je tiens donc à remercier sincèrement
mes deux rapporteurs, Mme. le Docteur Gillian Butler-Browne et Mr. le Professeur
XavierBigard,pourletempsqu’ilsontconsacréàlalectureminutieusedemonma-
nuscrit, pour la rédaction de leurs rapports complets et pertinents, ainsi que pour
l’intérêt qu’ils ont témoigné à l’égard de mes travaux de recherche.
– Je remercie également Mr. le Professeur Yves Rolland pour avoir accepté
d’endosser le rôle d’examinateur. Vos questions pertinentes lors de m’a soute-
nance nous ont permis de débattre de l’intérêt de mes travaux pour la médecine
gériatriqueetainsid’apporterunerecontextualisationdecestravauxdesplusutiles.
Je tiens à remercier tout particulièrement Jean-Michel pour m’avoir réservé un
accueil si chaleureux dans son laboratoire, ainsi que pour l’intérêt qu’il a témoigné à
l’égard de mes travaux tout au long de ces trois années.
Encadrer un étudiant en thèse est une tâche exigeante ... Je tiens donc à remercier
vivement mes deux encadrants, Phil et Isabelle :
– Phil,oùcommejemeplaisaisàt’appeler,"Chef",jet’adressemesremerciements
les plus sincères. À d’innombrables reprises nous avons débattu, toujours avec
passion, du fonctionnement de la phosphorylation oxydative, des principes fonda-
mentaux de l’analyse du contrôle métabolique, de physiologie musculaire, etc. Tu
m’as inculqué ta rigueur scientifique sans faille et permis d’adhérer pleinement à
ta vision originale, voire novatrice, du fonctionnement des systèmes biologiques
complexes. Tu m’as donné toutes les armes nécessaires pour tirer mon épingle
du "jeu scientifique", et je tâcherai à l’avenir d’en faire le meilleur usage qu’il
soit! Je te remercie également pour tous les moments de détente que nous avons
partagés, souvent accompagnés d’une bière sirotée sur un fond sonore rythmé par
les performances musicales des musiciens d’AssoSax.
– Isabelle, je te remercie énormément pour ces trois années passées à tes côtés.
J’ai eu pleinement l’occasion d’apprécier et de bénéficier de tes qualités humaines
incontestables.Tonrirecommunicatifettabonnehumeurrayonnantevontsansnul
doute me manquer, tout comme me manqueront nos longues discussions mêlantharmonieusement science, art de vivre, philosophie, etc. Ce fut un réel plaisir de
t’avoir en tant qu’encadrante, et je te remercie du fond du coeur pour ton soutien
et ton écoute attentive!
Je tiens également à témoigner ma reconnaissance à ceux qui m’ont "supporté"
depuis mes premières années de fac, Véro et Lolo :
– Véro,jetiensdansunpremiertempsàteremercierpourletemps(considérable)
que tu as consacré à la lecture minutieuse de mon manuscrit. Je te remercie égale-
ment pour les moments "extra-scientifiques" que nous avons partagés, comme par
exemple certaines soirées de détente, accompagnées d’une bière salvatrice! Enfin,
je te remercie du fond du coeur, car Laurent et toi avez contribué de manière indé-
niable à développer mon attrait pour la recherche en sciences biologiques. J’espère
que tu conserveras un bon souvenir des "quelques" questions que j’ai été amené
à te poser à la fin de tes cours ... (je suis sûr maintenant que grâce à moi, tu es
beaucoup plus rapide pour ranger tes affaires et quitter la salle dès la fin de tes
cours ...)
– C’est donc tout naturellement maintenant que je remercie Laurent. Avec toi,
l’expérimentation scientifique prend une autre dimension, et tes blagues si bien
amenées raccourcissent les longues journées de "manip". Merci pour l’ensemble
des moments que nous avons partagé!
Je tiens également à remercier Véronique Trézeguet et Marion Babot pour la
collaboration fructueuse qui fut la notre!
Comment pourrais-je poursuivre ces remerciements sans citer mon "compaire de
manip", Richard. D’innombrables heures passées à extraire des mitochondries, à les
torturer à l’aide de cocktails d’inhibiteurs savamment dosés, des heures à voir défiler
des kilomètres de papier sur notre table traçante ... Ce fut un réel plaisir de t’avoir à
mes côtés tout au long de ma thèse! Grâce à toi, j’ai pu découvrir la "vraie musique"
(Led Zeppelin, Iron Maiden, ...). Promis, je calculerai la quantité de mitochondries
que nous avons isolées au cours de ces trois années (qui sait, peut être allons nous
atteindre le kg ...suspens).
Je tiens également à remercier Fabienne et Annick pour leur gentillesse, leurs
attentions et leur disponibilité. Avec vous, les tracas administratifs s’envolent, et la
bonne humeur emplit les couloirs du RMSB!
Véro "du premier", je te remercie pour les pauses cafés que tu m’as offertes
lorsque je vagabondais à l’étage. Ce sont des petits moments de détente comme
ceux-là qui permettent à un thésard de rester productif!
Pierre, ou comme je t’ai très souvent promu, "Mon général", je te remercie pour
nos discussions scientifiques passionnées et passionnantes. Je garderai gravé en moi
grâce à toi, et à tous les amateurs chevronnés de vin du labo (Éric, Sylvain, Marc),
ces moments mémorables de dégustation de grands crus dans une atmosphère fortappréciable!
Marc, je te remercie d’avoir assumé la lourde responsabilité de " service alerte
but" lorsque nos expérimentations in vivo s’éternisaient "un peu" ... Travailler avec
toi fut un réel plaisir!
JetienségalementàremercierPhilippe(alliasMassoSax)poursoncôtéfarceurqui
nous aura permis de partager de bons moments de rigolades, sans oublier Gérard,
pour les discussions sympathiques que nous avons échangées!
Un grand merci aux membres de l’équipe trypano :
– Fred, toujours humble et modeste, ce fut un honneur pour moi de collaborer
avec toi! Il ne fait aucun doute que je regretterai l’ensemble de nos discussions
(et aussi peut-être un peu cette fameuse mousse au chocolat ...). Mais qui sait
... peut-être aurons nous le temps de collecter quelques informations sur l’unique
mitochondrie de tes parasites si particuliers avant mon départ ...!
– Pauline, bien que je ne sois manifestement pas ton Docteur préféré..., je te re-
mercie pour tous les bons moments que nous avons partagés ensemble et pour la
confiance que tu m’as accordée. Je te remercie aussi pour avoir eu le "bon goût" de
faire appel à mes "talents" de décorateur d’intérieur!
– Charles, merci pour ces trop rares soirées passées à discuter ensemble, souvent
en compagnie d’Atul, dans divers pubs bordelais!
Je ne peux également omettre l’équipe des physiciens du labo :
– Znélo, merci de m’avoir souvent "dépanné" sans même avoir à le demander!
J’espèrequemesfacétiesréaliséesavec"adresse"et"suptilité"devanttonbureaune
te manqueront pas trop!
– ZnÉric, tes connaissances scientifiques et ta disponibilité furent réellement ap-
préciables! Je te remercie pour les conseils, toujours pertinents, que tu m’as pro-
digués, ainsi que pour tous ces déjeunés conviviaux qui nous ont quotidiennement
réunis!
– Sylvain, cher voisin de bureau, je te remercie pour les fous rires que nous avons
eus ensemble à des heures parfois tardives, ainsi que pour les moments de dé-
tente que nous avons partagés (ces parties de Wii Sport épiques dans la salle du
conférence du laboratoire)!
– Lio, je crois que je peux partir tranquille, tu reprendras mes fonctions "d’orga-
nisateur de soirées" avec brio! Merci pour ces parties footbalistiques endiablées,
que tu as su organiser d’une main de maître! L’IMF aura quand même beaucoup
souffert de nos tactiques élaborées ... (bon ... nous aussi de temps en temps ...)
Je tiens également à remercier l’équipe "informatique" :
– Henri, je te remercie pour ta disponibilité et les discussions qui nous ont réunis
lors des pauses café matinales!
– Karine, combien de discussions Mac-PC avons-nous eues au cours de ces trois
ans ... Je ne saurais le dire! Je n’ai toujours pas réussi à te convertir, mais les
entrées récentes dans ta petite famille de l’iPhone 4 et de l’iPad me permettent departir tranquille, ton passage vers le côté "pure" de la force est en bonne voie!
En tant que membre très actif de la communauté des Bisounours, je ne peux pour-
suivre ces remerciements sans citer mes deux "confrères" et amis, Will et Guits :
– Will, toi qui a toujours su pimenter avec subtilité et force de conviction nos
déjeunés collectifs, je te remercie pour tous les moments mémorables que tu m’as
offerts! Incontestable maître de la cautérisation, j’ai trouvé en toi un véritable ami
sur qui je peux compter! Sache que la réciproque est vraie! Nos discussions "cen-
surées" (ou plutôt qui auraient dû l’être ...) vont réellement me manquer! Je tiens
également à te remercier pour ta relecture attentive de mon manuscrit et ta quête
acharnée, à en devenir insomniaque, des fautes d’orthographe!
– Guits ... sans toi, rien n’aurait été pareil! Ce fut un plaisir et un honneur
de t’avoir comme colloc’ de bureau durant ces trois années (bien que ton côté
autiste m’ait de temps en temps fait râler ...!). Nos sorties running démoniaques
(enfin, surtoutpourmoi...), nossoiréesmémorables, nosdiscussionsscientifiques
interminables, etc. sont autant de souvenirs que j’ai la chance de partager avec toi.
Je ne sais et ne saurai sûrement jamais te témoigner l’estime que j’ai pour toi. Ta
vision de la science, particulièrement bien résumée par la citation suivante, m’a
très souvent inspirée : "The most exciting phrase to hear in science, the one that heralds
new discoveries, is not ’Eureka!’ (I found it!) but ’That’s funny ...’" (Isaac Asimov)
Merci pour tout Guits, nos chemins se re-croiseront très prochainement sur le
continent nord-américain, et qui sait, le "Gillus & Guits laboratory"" deviendra
peut être une réalité ...
Linou, tu fais partie des très belles rencontres que j’ai eu l’occasion de faire au
RMSB. Merci d’avoir pris le risque de nous ouvrir les portes de ta demeure (et merci
à Alex de nous avoir acceptés!) pour partager en notre compagnie "quelques" soirées
mémorables et chargées en émotions (et heureusement qu’il n’y avait pas que du
CocaLightouduPepsiMaxcommeGuitsl’auraitsouhaité...JesuissûrqueWilliam
ne me contredira pas!)! Nos discussions quotidiennes vont cruellement me manquer,
et j’espère que mon sempiternel "Ca va Linou?" ne te manquera pas trop!
Un grand merci à toutes les personnes que j’ai côtoyées au sein du RMSB (Éric
B., Gérard, Émilie, Charlène, Marion, Philippe M., Giselle, Marie-Jo, Anne-Karine,
Marie-Lise, Mériem, Clément, Christophe, Émeline, Stéphane, Nizar, Kamel, Yoann),
dans d’autres laboratoires environnants (les jeun’s du CBO : Mouss, Anis, Steph; les
filles "d’à côté" (si si, nos labo ne sont vraiment pas très éloignés l’un de l’autre, je
vous assure!) : Diana et Imane), ou hors du labo (Nelly) et qui ont contribué à rendre
mon quotidien de thésard si agréable!
Ah, les années "lycée" ... Rémi (& Morgane), Mathilde (& François), Maylis,
Nicolas & Cindy, Seb (&Émilie), votre présence lors de ma soutenance me conforte
dans l’idée que ces années resteront parmi les plus belles de ma vie! Merci du fond
du coeur pour tout ce que nous avons partagé, et aussi, j’en suis persuadé, pour tout
ce que nous partagerons à l’avenir!Un grand merci à toute ma petite famille, aux jeun’s (Manue, ma p’tite Amélie,
Rémi, Caro, Alex, Guillaume, Alain, Jean-Charles, Marina), à mes oncles et tantes, à
mes grands-parents pour leur réconfort et leur soutien! Une mention spéciale pour
mon cousin Yannou, qui en plus de m’avoir apporté un soutien sans faille, aura
contribué à embellir ce manuscrit par ses talents de dessinateur. Papa, Maman, je ne
sais comment vous remercier de m’avoir soutenu tout au long de mes études et de
n’avoir jamais cessé de croire en moi. Je vous serai éternellement reconnaissant de
tout ce que vous avez fait pour moi!
Enfin,pourclorecesremerciements,mespenséesvontàcellequim’asoutenudans
tous les moments difficiles que j’ai pu traverser, depuis mes premiers jours au lycée,
jusqu’à la fin de ma thèse. Je te remercie du fond du coeur pour tous les moments
magiques que nous avons partagés! Pour tout ce que tu m’as apporté, pour tout ce
que j’ai appris de toi et grâce à toi, pour tout ce que nous avons vécu, mais aussi et
tout simplement pour ce que tu es, Merci Marion!

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