Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Myosines – Métabolisme“

Le muscle, tissu d’importance économique majeure chez les animaux producteurs de viande, est un tissu composite comprenant en majeure partie des fibres musculaires qui constituent une population très hétérogène aux caractéristiques contractiles et métaboliques variées. Les relations entre type contractile des fibres et fonctionnement mitochondrial, un composant essentiel du métabolisme énergétique musculaire, restent mal connues. Leur compréhension est pourtant essentielle pour espérer mieux maîtriser l’impact du type de fibres sur les diverses composantes de la qualité de la viande. Une analyse fine de la composante mitochondriale du fonctionnement énergétique des fi-bres a donc été entreprise en relation avec leurs caractéristiques contractiles. Les résultats indiquent que, contrairement aux fibres rapides de types IIX et IIB, la régulation mitochondriale dans les fibres lentes de type I et, dans une moindre mesure, de type rapide IIA est hautement spécialisée avec une optimisation de l’efficacité des mitochondries (couplage entre oxydation et phosphorylation, capacité oxydative maximale), une restriction de leur perméabilité à l’ADP et un couplage fonctionnel entre les kinases mitochondriales et la production d’ATP, permettant un transfert efficace de l’énergie vers les myosines. De plus, la régulation mitochondriale et les transferts énergétiques sont modulés par l’activation calcium-dépendante des ATPases portées par les myosines.

Cette synthèse concerne les recherches récemment effectuées à l’INRA sur le rôle des mitochondries dans la régulation du développement, de la croissance et des propriétés du muscle des animaux d’élevage et dans le déterminisme de la fonte musculaire au cours du vieillissement chez l’homme. La relation entre activité mitochondriale et développement musculaire a été confirmée. Au-delà de la relation entre métabolisme oxydatif, densité mitochondriale et type contractile des fibres, nous montrons que les caractéristiques intrinsèques des organites diffèrent en fonction des isoformes de myosine présentes. Les mitochondries participent à la définition du type contractile et à la différenciation des myoblastes, via le dialogue mitochondries-noyau auquel participent trois gènes cibles majeurs de l’organite : c-Myc (répresseur), Calcineurine et myogénine (stimulateurs). L’importance de la voie d’action mitochondriale de la T3 pour la régulation de la itochondriogenèse et de l’activité de l’organite est confirmée à la fois in vitro et in vivo. Aucune relation claire n’a été mise en évidence entre la quantité de lipides intramusculaires (LIM), un déterminant important de la qualité des viandes, et l’activité mitochondriale. La teneur en LIM semble davantage corrélée avec la différenciation des adipocytes intramusculaires et l’importance des flux de lipides dans le muscle qu’avec une voie métabolique particulière. Les protéines découplantes, UCP2, UCP3 (chez le porc) et avUCP (chez le poulet) sont régulées différemment mais il reste difficile de conclure sur leur rôle physiologique. UCP3 et avUCPs sont des effecteurs importants de l’effet thermogénique de la T3 et pourraient jouer un rôle dans le contrôle du métabolisme basal, tandis qu’avUCP semble être un régulateur métabolique majeur chez le poulet. Les travaux concernant l’activité mitochondriale en relation avec le vieillissement ont produit un certain nombre de résultats divergents par rapport à la littérature : absence d’accumulation de délétions de l’ADN mitochondrial et d’altération de l’expression de gènes mitochondriaux ou nucléaires avant un âge très avancé. Pourtant, la production mitochondriale d’H2O2 augmente avec l’âge et le vieillissement accroît la sensibilité de la respiration mitochondriale au calcium, deux phénomènes susceptibles de participer à l’induction «facilitée» d’une mort cellulaire. En conclusion, que ce soit chez l’animal ou l’homme, les mitochondries musculaires participent à de nombreuses fonctions physiologiques en liaison avec leurs différentes activités biologiques.

La reprogrammation métabolique est l’un des marqueurs de la carcinogenèse. Au cœur de cette reprogrammation se trouvent les mitochondries qui produisent l’énergie sous forme de molécules d’ATP. La régulation spatio-temporelle de la production d’ATP, indispensable pour fournir l’énergie au bon endroit et au bon moment, est assurée par le transport intracellulaire des mitochondries. Les complexes Miro/TRAK présents à la surface des mitochondries se lient aux protéines motrices de la cellule (dynéine, kinésine, myosine) pour transporter les mitochondries le long du cytosquelette. Ces acteurs du transport mitochondrial sont souvent dérégulés dans le cancer. Nous présentons dans cette revue les mécanismes par lesquels le transport mitochondrial contribue à la migration, à la division cellulaire et à la réponse au stress des cellules cancéreuses. Décrypter ces mécanismes pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches thérapeutiques en oncologie.

Parallèlement à son rôle dans le métabolisme énergétique, l’activité mitochondriale intervient également dans l’induction de l’apoptose, ainsi que dans la régulation de la prolifération et de la différenciation cellulaires. Il existe en particulier une véritable régulation de la différenciation des myoblastes par l’activité mitochondriale, indépendante de la production d’ATP. Elle implique notamment le contrôle de l’expression de myogénine et de l’activité des facteurs myogéniques. Dans cette étude, nous démontrons que l’expression du proto-oncogène c-Myc est respectivement stimulée ou diminuée par une inhibition ou une stimulation de l’activité mitochondriale. Cette régulation s’effectue en grande partie au niveau de la stabilité du messager, et au niveau de la localisation cellulaire de la protéine dans les myoblastes aviaires. De plus, la surexpression de c-Myc reproduit très exactement les effets d’une inhibition de l’activité mitochondriale : i) abrogation de la différenciation terminale ; ii) inhibition de l’expression de Myogénine, sans altération de celle de MyoD ; iii) blocage de l’aptitude des facteurs myogéniques à induire la différenciation ; iv) inhibition de la sortie des myoblastes du cycle cellulaire. Ces résultats démontrent que c-Myc est une cible importante de l’activité mitochondriale, impliquée dans l’influence de l’organite sur la différenciation des myoblastes. Nous avons également mis en évidence l’existence d’un autre gène cible de l’organite qui code la phosphatase calcium dépendante Calcineurine. Son expression est respectivement inhibée ou stimulée par l’inhibition ou la stimulation de l’activité mitochondriale. De plus, l’expression d’une forme constitutivement active de Calcineurine stimule la différenciation des myoblastes et l’expression de Myogénine, alors que ces deux événements sont bloqués par l’expression d’un ARN antisens Calcineurine. Enfin, la stimulation de l’activité mitochondriale, comme l’expression d’une forme constitutivement active de Calcineurine stimule spécifiquement l’expression de l’isoforme lente des chaînes lourdes de myosine. Ces données démontrent donc que, notamment via l’expression de Calcineurine, l’activité mitochondriale régule non seulement la différenciation des myoblastes, mais détermine également le type contractile des fibres musculaires

En haute altitude, la diminution de la disponibilité en oxygène constitue un stress majeur pour le cœur et les muscles squelettiques posturaux. Ces tissus vont développer en hypoxie un ensemble de réponses adaptives. Notre première étude porte sur l’implication de l’AMPK (AMP-activated protein kinase), et de Akt dans les réponses cardiaques précoces, chez des rats exposés à l’hypoxie. Nos résultats montrent que la phosphorylation de l'AMPK est diminuée en hypoxie aiguë dans les deux ventricules, et revient aux valeurs contrôles à 7 jours. Akt ne semble pas la cause de la diminution de l'activité de l'AMPK. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la maturation postnatale des muscles cardiaque et soléaire chez des rats en hypoxie chronique (3 semaines à 3700m, rat H) et chez des rats nés et vivant à 3700m depuis plusieurs générations (rat LP). Les résultats montrent que la réexpression d’isoformes immatures observée dans le vg des rats H ne persistent pas chez les rats LP. Par contre, l'hypertrophie du vd et ses effets sur le phénotype sont similaires chez les rats H et LP. Le métabolisme oxydatif dans le soléaire est réduit chez rats H exposés à l'hypoxie. Au contraire, chez les rats LP le soléaire présente des caractéristiques contractiles plus rapides, avec un métabolisme glycolytique augmenté et des capacités mitochondriales identiques à celles des rats normoxiques. Ces résultats attestent de l’adaptation naturelle des rats LP à l’environnement hypoxique, acquise au fil des générations

Deux groupes de dinde sont sélectionnés selon leur valeur du pH20min post mortem  du muscle Pectoralis major. Les modifications des protéines sont étudiées dans des muscles du groupe glycolyse rapide (GR, pH20min = 5,80 + 0,07, n = 20) et ceux du groupe glycolyse normale (GN, pH20min = 6,21 + 0,01, n = 20) à 20 min et à 24 h post mortem. La viande GR exhibe les qualités technologiques plus faibles (plus pertes à la conservation et moins aptitudes aux transformations) que la viande GN par contre la valeur de L* n'est pas différente entre ces deux groupes de viande. Les résultats de teneur en glycogène et en ses métabolites confirment la vitesse plus élevée de glycolyse de viande GR. Les faibles extractabilités des protéines myofibrillaire (fraction HIS) et cytosquelletiques (fraction culot) à 20 min post mortem du groupe GR peuvent être un résultat de la combinaison bas pH – température élevée conduisant à la dénaturation des protéines musculaires. Cependant, la viande GR semble avoir une maturation plus faible que la viande GN. Après une séparation des protéines par SDS-PAGE, quelques animaux du groupe GR présentent une forte baisse d'intensité des bandes situées autour de 45 kDa et 200 kDa. Ces protéines sont identifiées comme l'actine et la chaîne lourde de la myosine (MHC), respectivement. Leurs quantités relatives ne diffèrent pas entre les deux groupes à 20 min post mortem. Par contre, les viandes GR ont une moins de quantité relative de l'actine à 24 h post mortem. Toutefois, les quantités relatives d'actine et de MHC sont augmentées avec le temps post mortem. Les activités de la phosphofructokinase, de l'aldolase A et de la GAPDH sont inférieures pour la viande GR. Cependant, les paramètres cinétiques d'aldolase A et de GAPDH, la quantité relative de GAPDH ainsi que l'expression du gène codant pour l'aldolase A ne sont pas différents entre la viande des groupes GR et GN.

La O-N-acétylglucosaminylation ou O-GlcNAc, est une glycosylation cytosolique et nucléaire correspondant à l'addition d'un motif O-GlcNAc sur des résidus sérine et thréonine des protéines. Cette glycosylation dynamique et réversible est impliquée dans de nombreux processus cellulaires comme la transcription, le cycle cellulaire, la signalisation intracellulaire ... mais également dans des pathologies comme le cancer, les maladies neurodégénératives et le diabète. Peu de travaux se sont intéressés au rôle que la O-GlcNAc pourrait jouer dans le muscle strié. Pourtant, le muscle squelettique est un modèle intéressant pour l'étude de la O-GlcNAc, puisque son métabolisme dépend fortement du glucose, que de nombreux processus musculaires, tels que la contraction, dépendent de la phosphorylation et qu'il peut adapter son métabolisme énergétique aux conditions physiologiques. Or, la O-GlcNAc est à la fois dépendante du taux de glucose mais peut également interférer avec la phosphorylation par l'intermédiaire d'une balance phosphorylation/ O-N-acétylglucosaminylation. Nous avons identifié un grand nombre de protéines modifiées par la O-GlcNAc, en particulier les chaînes lourdes et légères de myosine, l'actine et la tropomyosine. L'analyse du rôle de la O-GlcNAc sur l'activité contractile, et en particulier sur la sensibilité calcique des fibres musculaires, démontre que cette glycosylation pourrait jouer un rôle modulateur dans l'activité contractile des fibres musculaires via des interactions protéine-protéine mais également des motifs qui ne sont pas engagés dans des interactions. Nous avons identifié plusieurs sites O-GlcNAc sur deux protéines clés de la machinerie contractile du muscle squelettique, l'actine et la myosine. Un site a été localisé sur la séquence 198-207 de l'actine et quatre autres ont été identifiés dans la partie hélicoïdale de la région carboxy-terminale de la myosine et correspondent aux séquences 1094-1106; 1295-1303; 1701-1712; 1913-1922. Ces sites pourraient être impliqués dans des interactions protéine-protéine, dans polymérisation des protéines et également jouer un rôle dans la modulation des propriétés contractiles du muscle squelettique. Enfin, nous mettons en évidence la possible implication de la O-GlcNAc dans un modèle d'atrophie fonctionnelle (Bed-rest) chez l'humain. En premier lieu, nous avons démontré l'existence d'une balance phosphorylation/O-GlcNAc de la MLC2 au cours de l'atrophie musculaire. Cette balance pourrait moduler l'activité ou les propriétés de cette protéine au rôle important dans la modulation de la force de contraction. En outre, l'analyse du taux global de O-GlcNAc suggère que le taux de O-GlcNAc est lié au développement de l'atrophie musculaire. L'ensemble de ces résultats démontre que la O-GlcNAc joue un rôle qui pourrait être tout autant important dans la physiologie musculaire que la phosphorylation
The O-linked N-acetylglucosaminylation termed O-GlcNAc is a dynamic cytosolic and nuclear glycosylation on serine and threonine residus. This dynamic and reversible glycosylation is involved in many physiological as weIl as pathological processes such as diabetes, neurodegenerative diseases, cancer or cardiac ischemia. Only few studies have been performed about the role of O-GlcNAc in skeletal muscle. However, the skeletal muscle is an interesting model to study the O-GlcNAc since i) its metabolism depends on glucose, ii) many muscular processes such as contraction are dependent on phosphorylation, and iii) there is a plasticity of the muscle metabolism depending on the physiological conditions. O-GlcNAc is dependent also on the level of glucose and can interfere with phosphorylation through a phosphorylation/glycosylation balance. We clearly demonstrated that a number of key contractile proteins i.e myosin heavy and light chains and actin are O-GlcNAc modified. The role of this post-translational modification in the contractile properties was investigated by establishing T/pCa curves on skinned fibers. This study demonstrated that O-GlcNAc moieties involved in protein-protein interactions or not could modulate calcium activation properties and therefore that O-GlcNAc motifs could be involved in the modulation of contractile force. Using a mass spectrometry-based method, we determined the localization of one O-GlcNAc site in the suddomain 4 of actin (séquence 198-207) and four O-GleNAc sites in the light meromyosin region of myosin heavy chains (séquences 1094-1106; 1295-1303; 1701-1712; 1913-1922). These sites might be involved in protein-protein interactions or in the polymerization of MHC or could modulate the contractile properties of skeletal muscle. Finally, we studied the implication of O-GlcNAc in a human model of muscle atrophy (Bed-Rest). We demonstrated the existence of a phosphorylation/O-GleNAc balance for MLC2 that could modulate the activity and properties of this protein which bas a key role in the modulation of force. Moreover, our data suggested that O-GlcNAc level might be involved in the control of protein homeostasis and muscular atrophy in human as in rat. AlI these data demonstrate that O-GlcNAc is an important post-translational modification in the muscle physiology

Le succès de la réponse immunitaire repose en grande partie sur la capacité des leucocytes à se déplacer et à accomplir leur fonction au sein de structures anatomiques précises. Le fait qu’il puisse exister des mécanismes intrinsèques de coordination entre ces fonctions spécifiques et la migration de ces cellules n’a jamais été étudié auparavant. Nos travaux mettent en évidence, pour la première fois, l’existence d’un couplage entre la migration et la macropinocytose dans les cellules dendritiques qui explorent leur environnement en internalisant une grande quantité de matériel extra-cellulaire. C’est la Chaîne Invariante, protéine chaperon impliquée dans l’apprêtement des antigènes, qui est responsable de ce couplage en détournant le moteur Myosine II de l’arrière de la cellule, où elle promeut la migration, vers l’avant de la cellule. Ce recrutement transitoire de Myosin II autour des macropinosomes à l’avant favorise la macropinocytose et la délivrance de l’antigène dans les lysosomes, mais ralentit la cellule. L’implication de la Myosine II à la fois dans la migration et la capture d’antigène permet donc le couplage moléculaire entre ces deux processus et leur coordination spatio-temporelle. Cependant, les voies de signalisation impliquées dans le couplage avant/arrière dans les cellules dendritiques immatures restent encore méconnues. L’ensemble de mes travaux de thèse montrent que la libération de calcium du réticulum endoplasmique à travers les récepteurs IP3 (IP3Rs) est nécessaire pour maintenir le niveau de phosphorylation de la chaîne légère de Myosin (MLC) et la polarisation avant/arrière de Myosine II au cours de la migration des cellules dendritiques immatures. Nous montrons que les récepteurs IP3R1, 2 et 3 sont requis pour atteindre une vitesse maximale en 2- et 3-Dimension, et que le récepteur IP3R3, et dans une moindre mesure IP3R1, favorisent la persistance des cellules. En revanche, l’inhibition de l’expression du récepteur IP3R3 augmente la capacité des cellules dendritiques immatures à capturer l’antigène, ce qui est en accord avec notre résultat montrant que la capture de l'antigène est inversement reliée à la locomotion de cellules dendritiques. Nous proposons que le relargage du calcium par le réticulum endoplasmique favorise l’activité de la myosine II ce qui permet aux cellules dendritiques de ralentir de façon transitoire. Ce relargage calcique permet aux cellules dendritiques du optimiser l'internalisation des antigènes extracellulaires en maintenant leur polarité ce qui leur permet d’optimiser ainsi leur capacité d'échantillonnage de l’environnement
The immune response heavily relies on the migration capacity of leukocytes. These cells must stop in precise anatomical locations to fulfill a particular task. But whether and how specific functions are coordinated with migration by cell-intrinsic mechanisms is not known. We here show that in dendritic cells, which patrol their environment for the presence of antigens by internalizing extracellular material, macropinocytosis is coupled to cell migration. Coupling relies on the diversion of the Myosin II motor from its migratory function at the cell rear to macropinosomes at the cell front by the Invariant Chain, a cell-specific regulator of antigen presentation. Transient Myosin II recruitment at the cell front promotes antigen macropinocytosis and antigen delivery to endolysosomes but antagonizes cell migration. Thus, the requirement for Myosin II for both migration and antigen capture provides a molecular mechanism to couple these two processes and allow their coordination in time and space. However, the signaling pathways involved in back/front coupling in migrating immature DCs remain unknown. Here we show that calcium released from the endoplasmic reticulum through IP3 Receptors (IP3Rs) is required to maintain Myosin regulatory light Chain (MLC) phosphorylation and Myosin II back/front polarization during DC locomotion. We found that while IP3R1, 2 and 3 are required for immature DCs to reach maximal speed in 2-Dimensional and 3-Dimensional environments, IP3R3 and to a lesser extent IP3R1 positively regulate their persistency. On the contrary, silencing of IP3R3 increases antigen uptake by immature DCs, consistent with our finding showing that antigen capture is inversely coupled to DC locomotion (Appendix, manuscript #1). We propose that by promoting myosin II activity, calcium released from the ER help DCs to transiently slow-down to uptake extracellular antigens without losing their polarity and thereby optimizes their environment sampling capacity

La malaria est la maladie parasitaire la plus mortelle (0,5 million de morts par an), elle résulte de l’infection par un parasite Apicomplexe du genre Plasmodium. PfMyoA, une myosine de la classe XIV de Plasmodium falciparum, est essentielle à la fois pour la motilité et pour l’infectivité du parasite. Dans ce travail, nous avons combiné des expériences de cristallographie aux rayons X, de la cinétique transitoire, de la dynamique moléculaire et enfin de la parasitologie afin de décrypter les spécificités de ce moteur. PfMyoA comprend une extension N-terminale atypique qui agit comme un interrupteur permettant au moteur de se déplacer à haute vélocité lorsque l’extension est phosphorylée (pendant les stades mobiles) ou de produire plus de force lorsqu’elle est déphosphorylée (pendant l’invasion). Les structures de PfMyoA entière révèlent que ses chaînes légères spécifiques sont impliquées dans la stabilisation d’un état pre-powerstroke avec un bras de levier plus relevé que chez les autres myosines grâce à des interactions spécifiques entre le bras de levier et le domaine moteur. Étonnamment, la chaîne légère essentielle (PfELC) atypique joue aussi un rôle important pour l’infectivité du parasite. Ensemble, ces résultats définissent PfMyoA comme une cible thérapeutique de premier ordre pour concevoir une nouvelle génération de composés antipaludiques capables de bloquer la fonction du moteur ou l’association des chaînes légères au bras de levier
Malaria is the deadliest parasitic disease (0.5 million deaths per year) and results from infection by Apicomplexan parasites from the genus Plasmodium. PfMyoA, an atypical class XIV myosin from Plasmodium falciparum, is essential both for parasite motility and infectivity. In this work, we combined X-ray crystallography, transient kinetics, molecular dynamics and parasitology to decipher the specificities of this motor. PfMyoA comprises an atypical N-terminal extension that acts as a switch allowing the motor to move at high speed when the extension is phosphorylated (during motile stages) or to produce more force when dephosphorylated (during invasion). The full-length structures of PfMyoA reveal that the specific light chains are involved in the stabilization of a more primed pre-power stroke through unforeseen motor domain/lever arm interactions. Interestingly, the atypical essential light chain of PfMyoA (PfELC) is also essential for the infectivity of the parasite. Altogether, these results define PfMyoA as a first order target to design a new generation of antimalarial compounds able to block motor function or light chains targeting to the lever arm

Les pathologies cardiovasculaires sont responsables d’un grand nombre de décès dans le monde aujourd’hui, dont plus de la moitié trouve son origine dans des anomalies rythmiques. Les phénomènes de dépolarisation et de repolarisation rythmiques des cardiomyocytes, à l’origine de l’activité contractile rythmique du myocarde, mettent en jeu des processus cellulaires consommateurs d’énergie et les mitochondries,. Dans cette thèse, la régulation de la fonction mitochondriale a été étudiée lors de l’induction d’arythmies ventriculaires sur coeurs isolés perfusés de rats. Les résultats montrent que l'évolution de la consommation d’oxygène du myocarde est un paramètre important dans la réponse aux arythmies. L’inhibition des myosines ATPases par la blebbistatine induit sur la durée une diminution de la susceptibilité vis-à-vis des arythmies. Les acteurs impliqués dans les différents types de réponses mitochondriales ont été caractérisés sur fibres perméabilisées. Nous montrons que la régulation de la fonction mitochondriale varie en fonction de la chambre cardiaque considérée. Les mesures de Km de la respiration mitochondriale, ainsi que l’étude des principaux mécanismes de transfert énergétiques, mettent en évidence des différences marquées entre les différentes chambres cardiaques. .Les résultats de nos travaux suggèrent que le remodelage myocardique observé en réponse aux modifications de charge, et/ou lors du développement des pathologies du myocarde sont susceptibles de favoriser la constitution d’un substrat arythmogène, propre à chaque chambre, et impliquant des perturbations des mécanismes de transfert énergétique
Cardiovascular disease is the first cause of mortality in the whole world. Half of this mortality is due to heart failure, a progressive deterioration of cardiac contraction, which can be caused by electrical dyssynchrony. Implication of heart energetics on susceptibility to arrhythmia is therefore of particular interest to better understood the overall effect as well as the relative importance of the potential partners on developed pathologies. In this thesis, energetic regulation of mitochondria was studied in perfused hearts paced to induce arrhythmia. Myocardial oxygen consumption was shown as a crucial parameter in the response to rhythm troubles. Inhibitions of ATPase myofibrils by blebbistatin or AK-phosphotransfer by Ap5a did not produce same responses of mitochondrial compartment. When inhibited by Blebb, most of hearts presented less ectopic beats highlighting an anti-arrhythmic profile in this case of myofibrils inhibition. Energetic parameters involved in mitochondrial responses were characterized in skinned fibres. Mitochondria regulation was different between ventricle and atria, with a less sensitivity of mitochondria in atria compared to ventricle. Mechanisms of energy transfer between supply and demand were different between ventricle and atria. The role of AK-phosphotransfer was described as a determining parameter for atria energy maintenance, whereas ventricle presented a functional efficacy of CK pathway to regulate adenine nucleotide turnover. As suggested by these results, the role of adenylic nucleotides channeling could be considered as a mechanism used to counteract altered cardiac energetics that potentially sustained electrical pathologies