Métabolisme mitochondrial et protéosynthèse dans le muscle squelettique

MITOCHONDRIAL METABOLISM AND PROTEOSYNTHESIS IN SKELETAL MUSCLE

• Auteur / Autrice : Frédéric Simon
• Direction : Vincent Ollendorff
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DMEM - Dynamique du Muscle et Métabolisme

Mots clés

Mots clés libres

MAM 'Mitochondrial-associated- membranes'

Mitochondries

Milieu de culture

Exercice

Muscle squelettique

Synthèse protéique

Mitochondria

Proteosynthesis

MAM ''mitochondrial-associated-membranes

Skeletal muscle

Cell culture medium

Exercise

Résumé

Le maintien et la croissance du tissu musculaire requièrent un contrôle aigu de la balance protéique qui résulte d'un équilibre dynamique entre les voies de synthèse protéique et celles de la protéolyse, toutes deux couteuses en énergie pour l'organisme. Ainsi la protéosynthèse représente à elle seule une consommation estimée à près de 50% de l'ATP cellulaire produit ce qui implique l'existence de mécanisme de contrôle efficace de ce processus cellulaire afin de limiter les risques de stress énergétique tissulaire. Au sein du muscle squelettique, les mitochondries et la voie de la glycolyse sont les principaux pourvoyeurs d'ATP. Les mitochondries jouent également un rôle important dans les adaptations métaboliques à court et long termes en réponse à divers stimuli tel que l'activité physique. Cependant ces organites ne fonctionnent pas indépendamment et forment des contacts privilégiés plus ou moins étendus avec d'autres composantes cellulaires comme le réticulum endoplasmique (RE). Ces zones d'interactions transitoires et dynamiques appelées MAMs (mitochondria-associated membranes) permettent d'échanger des composés (calcium, phospolipides…) et de réguler mutuellement les fonctions mitochondriales (fission/fusion/mitophagie) et du RE, et en conséquence contribuent à la plasticité métabolique du tissu musculaire (Rieusset J 2018). Dans le foie, le cœur et le cerveau la dynamique des MAM (formation/inhibition) joue également sur l'homéostasie tissulaire et des perturbations des MAMs ont été observés dans de nombreuses pathologies affectant ces organes (Beaulant et al 2022 ; Thoudam et al 2023, Dia et al 2020). De façon intéressante, moduler l'étendue des MAM entraine des améliorations des fonctions mitochondriales, du turn-over mitochondrial et de l'homéostasie tissulaire ce qui illustre le potentiel de cette approche pour des interventions thérapeutiques. Nos travaux chez la souris (Britto et al. 2018) indiquent de plus que les MAMs constituent un carrefour important pour la balance protéique au sein du muscle squelettique. En effet, en situation de stress énergétique nous observons une réduction de la respiration mitochondriale et des points de contacts mitochondries/RE associée à une baisse de la synthèse protéique dépendante de la voie Akt/mTOR. Par ailleurs, nous avons aussi montré qu'un exercice aigu entraine une réduction rapide du nombre de MAMs et de la synthèse protéique dans des muscles de typologie variée (Merle et al 2019). Notre hypothèse est que cette modulation des MAMs permet au muscle squelettique de répondre à des challenges énergétiques pour préserver les niveaux d'ATP, limiter le stress énergétique et assurer le maintien de la masse musculaire. Néanmoins, les mécanismes contrôlant la dynamique des MAMS et le dialogue entre respiration mitochondriale et synthèse protéique dans le muscle squelettique restent encore mal compris. Dans ce programme de thèse nous proposons donc une caractérisation approfondie des mécanismes en jeu à travers 2 volets d'investigations: Le premier volet physiologique chez la souris se focalisera sur les relations fonctionnelles du trio mitochondries/ synthèse protéique et MAMs dans des muscles squelettique de typologie différentes (oxydatif versus glycolytique) en réponse à des situations connues pour moduler les fonctions mitochondriales et/ou la synthèse protéique (sédentarité, exercice aigu ou chronique). L'autre volet, plus mécanistique, visera à caractériser les relations entre mitochondries/protéosynthèse et MAM dans des cultures de cellules musculaires humaines et murines in vitro. A noter que ces modèles cellulaires seront cultivés dans des milieux définis pour se rapprocher de la composition du milieu circulant et réduire ainsi les biais métaboliques. Les analyses mêleront, signalisation, histologie, imagerie des muscles et des MAMs, métabolisme énergétique et respiration mitochondriale, biochimie, protéosynthèse et OMICS (métabolomique et RNA seq).

Skeletal muscles maintenance and growth require a sharp control of the proteostasis, a processus resulting from the balance between proteosynthesis and proteolysis, both pathways consuming a high level of energy. In fact, proteosynthesis on itself consumes more than 50% of the cellular ATP. Skeletal muscle mitochondria are key organelles controlling this energy production by oxygen consumption and converting nutrients into ATP. Mitochondria also fulfill important short term and/or long-term metabolic adaptations to various stimuli and constraints including physical exercise or nutritional disorders (obesity, caloric or nutrient restriction). However, mitochondria do not function independently of the cell context, as they form dynamic and privileged contact sites with other organelles like the endoplasmic reticulum (ER), to sense, and regulate mutually their function(s), which in turn will contribute to muscle (metabolic) plasticity and adaptation. ER is also the main site for proteosynthesis. The mitochondrial-associated membranes (MAMs) compartment represents therefore specific contact sites between ER and mitochondria required notably for the calcium transfer into mitochondria. MAMs play also important roles in the synthesis, exchange and transfer of specific phospholipids between ER and mitochondria and in the control of glucose metabolism. In several organs, including liver heart and brain, MAMs dynamics (formation and inhibition) contribute to homeostasis and their impairment are found in many pathophysiological conditions. Interestingly, modulating MAMs by different experimental means, can improve mitochondrial turnover, functions, and cell homeostasis illustrating the high potential of this approach for therapeutic intervention (Rieusset J 2018). Recent reports, including our own publications indicate that MAMs stand as a crucial hub in skeletal muscles that integrate and coordinate energy (ATP) production by mitochondria and protein synthesis, a major energy-consuming process (Britto et al 2018). This important checkpoint allows to respond to energetic challenging conditions like exercise, fasting or hypoxia by blunting Akt/mTOR dependent protein synthesis, which spares ATP and limits energetic stress. Moreover, we have also shown recently that a single bout of physical exercise can induce an immediate decrease of MAMs contacts sites in skeletal muscles and a simultaneous reduction of protein synthesis (Merle et al 2019). Our general hypothesis is that regulating MAMs extent in skeletal muscles could contribute to respond to various challenges, allowing sparing ATP, limiting energetic stress to maintain muscle mass and metabolic homeostasis. However, MAMs dynamics remain poorly characterized in skeletal muscles and the mechanisms coupling mitochondrial function and protein synthesis need to be determined. Several open questions remain : How is regulated ATP flux originating from mitochondrial respiration and glycolysis to feed proteosynthesis ? Are MAMs involved in this process ? In this PHD program we propose to characterize the intricate relationship existing within the hub MAMs/mitochondrial function/protein synthesis and to describe the mechanisms in play. In a first part using the mouse model we will investigate this « ménage à trois » MAM/mitochondria/proteosynthesis in skeletal muscle of various typologies (oxydative versus glycolytic) in response to different physiological conditions known to modulate mitochondrial function and proteosynthesis (sedentary, acute or chronic exercise ). In a second part more mechanistic, we will use human and mouse muscle cells in vitro to further study the “mitochondria/proeteosynthesis and MAM” trio. Importantly specific culture medium based on the composition of human serum will be used to cultivate our cells. The goal is to limit metabolic bias due to supraphysiological concentrations of glucose, aminoacid or other components present in regular medium.