Architecture en crêtes à la surface du cardiomyocyte : rôle en physiologie et physiopathologie cardiaque

Crest architecture on the surface of the cardiomyocyte : role in cardiac physiology and pathophysiology

• Auteur / Autrice : Clément Karsenty
• Direction : Céline Galès, Céline Guilbeau-Frugier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Maladies métaboliques et cardiovasculaires
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Maladies Métaboliques et Cardiovasculaires (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Acar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Noël Trochu, Thierry Couffinhal, Elise Balse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physiopathologie

Physiologie

Coeur

Mitochondries

Cardiomyocytes

Mots clés libres

Hypertrophie cardiaque

Développement postnatal cardiaque

Architecture du cardiomyocyte

Biologie cellulaire

Biologie du développement

Fonction diastolique

Ephrin-B1

Souris

Rat

Mitochondries subsarcolémales

Cardiac hypertrophy

Cardiac postnatal development

Cardiomyocyte architecture

Cell biology

Developmental biology

Diastolic function

Ephrin-B1

Mouse

Rat

Subsarcolemmal mitochondria

Résumé

Par rapport aux cardiomyocytes (CMs) néonataux, les CMs adultes matures présentent une morphologie typique en forme de brique. Leur surface cellulaire est polarisée avec, d'une part, un disque intercalaire établissant des interactions physiques avec les CMs voisins sur le plan longitudinal et, d'autre part, une membrane latérale connue pour interagir avec la matrice extracellulaire. Précédemment, l'équipe a identifié Ephrine-B1comme une nouvelle protéine transmembranaire de la membrane latérale des CMs adultes, partenaire de claudine-5, qui stabilise la forme en brique des CMs adultes et assure la cohésion globale du tissu cardiaque indépendamment de l'appareil contractile. Au cours de ma thèse, nous avons optimisé l'utilisation de l'imagerie de haute résolution (microscopie électronique et à force atomique) pour explorer le cœur et caractériser précisément l'architecture tridimensionnelle de la membrane latérale des CMs adultes chez les mammifères dans leur contexte naturel. De façon intéressante, dans le tissu, nous avons identifié et quantifié une nouvelle architecture de la membrane latérale des CMs avec des crêtes périodiques ancrées au niveau de la strie Z de chaque sarcomère sous la membrane plasmique. Ces crêtes sont de tailles différentes selon le compartiment cardiaque et l'espèce de mammifère et elles contiennent des mitochondries subsarcolemmales (SSM) dont le rôle est encore inconnu. En utilisant une microscopie fluorescente à haute résolution (STED), nous avons montré pour la 1ère fois l'existence de contacts physiques intermittents entre les crêtes de CMs voisins au sein du tissu cardiaque par le biais d'interactions claudine-5/claudine-5 (jonctions serrées), favorisant très probablement la cohésion du tissu cardiaque. Les crêtes sont spécifiques du CM adulte. Chez le rat, nous avons démontré que la maturation des crêtes, liée à une augmentation de l'aire des SSM (par ''gonflement''), se produit tardivement au cours de la période postnatale, entre le 20ème jour postnatal (P20) et le 60ème jour postnatal (P60), alors que le CM a déjà sa forme en brique adulte. Ce gonflement des SSM entourant toute la surface des CM contribue à une augmentation de l'aire des CM mais sans biosynthèse de myofibrilles, démontrant ainsi une nouvelle hypertrophie atypique mais physiologique du CM. Au niveau fonctionnel, la maturation des crêtes participe spécifiquement à la fonction diastolique. Cette maturation physiologique tardive a été confirmée par une analyse transcriptomique. Nous avons identifié Ephrine-B1 comme un déterminant moléculaire spécifique de la maturation des crêtes/SSM chez la souris. En utilisant un modèle de souris transgéniques avec une délétion spécifique d'Efnb1 dans le CM (Efnb1CM-/-), nous avons démontré le rôle clé des structures crêtes/SSM des CMs P60 dans : i/ le métabolisme oxydatif cardiaque, ii/ la fonction diastolique. Les souris Efnb1CM-/- présentent des crêtes immatures et affichent un phénotype caractéristique de l'insuffisance cardiaque à fraction d'éjection préservée (ICFEP). [...]

Compared to the neonatal cardiomyocytes (CMs), the mature adult CMs exhibit a typical rod-shape morphology with its cell surface polarized with the intercalated disk establishing physical interactions with neighbor CMs on the longitudinal plane and a lateral membrane known to interact with the extracellular matrix. In this context, years ago, the team identified Ephrin-B1 as a new transmembrane protein specific of the lateral membrane of adult CMs and a partner of claudin-5 that stabilizes the rod-shape of the adult CM and the overall cardiac tissue cohesion independently of the contractile apparatus. During my thesis, we optimized the use of high-resolution imaging (Electron and atomic force microscopy) for exploration of the heart and to accurately characterize the architectural organization of the lateral membrane of adult CMs in mammals in their natural context, i.e. the 3D cardiac tissue. Interestingly, in the tissue, we identified and developed quantification of a new architecture of the CM lateral membrane with periodic crests, anchored on both sides of each sarcomere below the plasma membrane, that harbor different size depending on the compartment and the mammalian species. This crest architecture is related to the presence of subsarcolemmal mitochondria (SSM) whose role is still unknown. Using high resolution fluorescent microcopy (STED), we also showed for the first time the existence of intermittent crest-crest physical contacts with neighbor CMs within the cardiac tissue through claudin-5/claudin-5 interactions (tight junctions), most likely increasing the cohesion of the cardiac tissue. Crests are specific to adult CM. In this context, we demonstrated in rat that crest maturation, related to an increase in SSM area, (i.e. SSM ''swelling''), occurs lately during the postnatal period between postnatal day 20 (P20) and 60 (P60), while the CM already harbors its adult rod-shape. Swelling of SSM which surround the whole CM surface contributes to an increase in the CM area but without myofibril biosynthesis, thus demonstrating a new atypical physiological hypertrophy of the CM. At the functional level, the setting of the crest/SSM is involved specifically to the stabilization of the adult diastole without modification of the systolic function. This existence of a late physiological maturation between P20 and P60 was further reinforced and confirmed by transcriptomic analysis. Next, we also identified Ephrin-B1 as a specific molecular determinant of the maturation of the crests/SSM in mice after P20. Using a mouse model with a specific deletion of Efnb1 in the CM (Efnb1CM-/-), we demonstrated that the adult KO mice exhibit reduced cardiac ?-oxidation metabolism, confirmed by transcriptomic analysis. Moreover, we demonstrated a key role of the crests/SSM structures in the diastolic function since young (2-months) adult Efnb1CM-/- mice exhibit immature CM crests and display phenotype characteristic of clinical heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF): elevated diastolic left ventricle pressure with pEF, reduced global longitudinal strain and exercise intolerance. Finally, mature crests/SSM are protective for the overall cardiac function since over time (9 and 12 months) Efnb1CM-/- mice shifted progressively toward HF with reduced ejection fraction and 100 % of them died after 14 months while control mice survived beyond 24 months. Consistent with the key role of Ephrin-B1 in the pathogenesis of HFpEF, the expression level of Efnb1 transcript was reduced in human hearts from patients with HFpEF. The adult Efnb1CM-/- mouse model reminisces some natural HF history with in an initial diastolic dysfunction progressively switching to systolic HF. Ephrin-B1 and the crest architecture of the CM surface thus represent new specific determinants of the diastolic function that would need to be further explored for future innovative therapeutics in the treatment of HFpEF for which there is no specific treatment.