Implication des mitochondries dans la biologie musculaire

Depuis l’identification des mitochon-dries comme le site principal de la syn-thèse d’ATP (Adénosine TriPhosphate)et de l’oxydation des substrats dans lesannées 40, de multiples aspects dufonctionnement mitochondrial1 ont étémis à jour et sont venus souligner lerôle clé de cet organite. Ainsi, l'existen-ce de délétions ou mutations du géno-me mitochondrial à l'origine des ma-ladies particulièrement graves queconstituent certaines cytopathies mito-chondriales (dont les myopathies neconstituent que l'exemple le plusmédiatisé) a ravivé l'intérêt de la com-munauté scientifique pour le fonction-nement de ces organites. La démonstra-tion du rôle central des mitochondriesdans l'induction de l'apoptose a consti-tué une véritable révolution, et certai-nes théories du vieillissement attribuent

d’ailleurs un rôle important à une alté-ration progressive de l'activité mito-chondriale dans ce phénomène en rai-son d’une dérégulation de la productionde radicaux libres (EAO) et d’une accu-mulation inéluctable de mutations dansle génome de l'organite. La mise en évi-dence de récepteurs hormonaux locali-sés dans la mitochondrie, l'élucidationde leur fonction, et la démonstration deleur implication dans la régulation dumétabolisme énergétique et de la diffé-renciation cellulaire (Wrutniak et al1995, Rochard et al 2000) permet deconsidérer l'organite comme une ciblemajeure des hormones thyroïdiennes.Dans ces travaux, l'identification degènes dont l’expression est moduléepar l'activité mitochondriale (myogéni-ne par exemple) établit de manière trèsclaire l'existence d'un dialogue noyau-

mitochondries2 et souligne l'importan-ce de cette voie d'action. Enfin, la plas-ticité du fonctionnement mitochondrialau plan énergétique est revenue au pre-mier plan avec la découverte, en 1997,de l'existence d'une famille de gènescodant des protéines découplantes(uncoupling proteins, UCPs) présentesdans de nombreux tissus et dont lafonction exacte reste à clarifier(contrôle de la balance énergétique etde l’adiposité, transport d’acidesgras, contrôle de la production deEAO…).

Les mitochondries sont donc poten-tiellement impliquées dans la régula-tion de processus physiologiquesmultiples qui conditionnent le dévelop-pement et le bon fonctionnement dumuscle squelettique : intervention dans

INRA Productions Animales, Octobre 2006

INRA Prod. Anim.,2006, 19 (4), 245-264

P. HERPIN1, M. DAMON2, J.-F. HOCQUETTE3, F. MÉDALE4, L. MOSONI5, G. STÉPIEN5,C. WRUTNIAK-CABELLO6, G.. CABELLO6

1 INRA, Direction Scientifique Adjointe Animal et Produits Animaux, F-35590 Saint-Gilles, France2 INRA, Agrocampus, UMR1079 Systèmes d’élevage, Nutrition animale et humaine, F-35590 Saint-Gilles, France

3 INRA, UR1213 Herbivores, F-63122 Saint-Genès Champanelle, France4 INRA, IFREMER, Université Bordeaux, UMR1067 Nutrition Aquaculture et Génomique,

F-64310 Saint-Pée-sur-Nivelle, France5 INRA, Université Clermont I, UMR1019 Nutrition Humaine, F-63122 Saint-Genès Champanelle, France

6 INRA, ENSAM, Université Montpellier 2,UMR 866 Différenciation Cellulaire et Croissance,2 place Pierre Viala, F-34060 Montpellier, France

Courriel : [email protected]

Implication des mitochondriesdans la biologie musculaire : un rôle clé au coursdu développement, de la croissanceet de la fonte musculaire

Les mitochondries sont potentiellement impliquées dans la régulation de processus physiolo-giques multiples qui conditionnent le développement, la croissance et les propriétés dumuscle des animaux d’élevage et le déterminisme de la fonte musculaire au cours du vieillis-sement chez l’homme. Cet article détaillant les recherches récemment conduites à l’INRA metl’accent à la fois sur les principaux mécanismes fondamentaux impliqués et sur les finalitésagronomiques et humaines qui en découlent.

1 Dans ce projet, compte tenu des multiples aspects du fonctionnement mitochondrial, nous utiliserons la dénomination «activité mitochondriale» lorsque l'ensem-ble des aspects de ce fonctionnement (transcription et traduction mitochondriales, influences sur la signalisation cellulaire via les ROS (Radicaux libres) et le cal-cium, oxydation des substrats, efficacité de la synthèse d’ATP) sera concerné. La dénomination «activité métabolique» ou «aspects énergétiques» recouvrira spéci-fiquement l'intervention des mitochondries dans le métabolisme cellulaire.2 Le dialogue noyau-mitochondries fait référence à la signalisation émanant de EAO ou modifiée par les mitochondries (signalisation calcique) qui va modifierl’expression d’un certain nombre de gènes nucléaires. Parmi ces derniers, figurent des gènes codant des protéines mitochondriales qui, en retour, vont modifier l’ac-tivité mitochondriale.

la régulation de la différenciation mus-culaire et adipocytaire, dans l’acquisi-tion de caractéristiques métaboliques(type de fibres musculaires, teneur enlipides intramusculaires) qui condition-nent les propriétés des viandes(Hocquette et al 1998), dans la gestiondes réserves énergétiques qui condi-tionne le développement respectif desmasses adipeuses et musculaires, etenfin dans le processus de fonte muscu-laire au cours du vieillissement.

Face au renouveau et à l’enjeuactuel de ces recherches, une actioncollective ciblée sur l’implication desmitochondries dans le développe-ment, la croissance et les propriétésdu muscle des animaux d’élevage etdans le déterminisme de la fonte mus-culaire au cours du vieillissementchez l’homme a été mise en place àl’INRA (www.rennes.inra.fr/mito-chondries). L’ensemble des voiesmétaboliques ou de régulation abor-dées dans ce travail est rassemblédans la figure 1. L’objet de cet articleest de restituer les principaux résultatsobtenus dans ces différents domai-nes. L’accent est mis à la fois sur lesmécanismes fondamentaux élucidés(rôles des facteurs de transcriptionmitochondriaux, fonctionnement desmitochondries) et sur les finalitésagronomiques (différenciation et

croissance musculaire, qualité desviandes) et humaines (fonte muscu-laire) qui en découlent.

1 / Fonctionnement mito-chondrial, développementet différenciation muscu-laire

1.1 / Contexte et objectifsLa différenciation contractile caracté-

risée par le remplacement des isofor-mes de myosines développementalespar les isoformes adultes s’effectuependant la période fœtale selon unechronologie différente selon les espè-

ces, voir encadré (tableau 1 pour leporc). La différenciation métaboliquecommence également de manière pré-coce pendant la période fœtale. Cescaractéristiques contractiles et métabo-liques démontrent cependant une plas-ticité évidente après la naissance, puis-qu’elles sont modulables par desfacteurs tels que l’exercice ou la naturede l’alimentation.

La qualité de la viande dépend engrande partie des caractéristiques dumuscle au moment de la mort de l’ani-mal. C'est pourquoi, les propriétés desfibres musculaires ont fait l'objet denombreuses études quelle que soitl'espèce. Nous abordons ici : (i) lesrelations entre le fonctionnement mito-chondrial et les caractéristiques

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Tableau 1. Expression des myosines chez le fœtus de porc (jg : jours de gestation).

Figure 1. Quelques rôles physiologiques des mitochondries dans le muscle en rapport avec leurs différentes activités biologiques.

contractiles et métaboliques des fibresmusculaires, notamment l’expressiondes diverses isoformes de myosines(MyHC, chaine lourde de la myosine).Nous avons tout d'abord étudié cesrelations en comparant différents typesde muscles puis, plus spécifiquement,les différences entre muscles liées aufonctionnement mitochondrial. Les tra-

vaux ont été réalisés à des stades préco-ces importants du développement mus-culaire définis en fonction du staded’apparition des fibres primaires etsecondaires, puis chez l’animal adulte(bovin, porc, lapin, truite Arc-en-Ciel,tableau 2) ; (ii) l’activité mitochon-driale est également à considérercomme un régulateur important de la

différenciation des myoblastes, via lecontrôle de l’expression de myogénine,un facteur myogénique jouant un rôleclé dans l’induction de la différencia-tion (Rochard et al 2000). De plus,l’existence d’un dialogue noyau/mito-chondries modifiant l’expression degènes importants pour le développe-ment de ce tissu, posait également laquestion de la régulation de l’expres-sion des diverses isoformes de myosinepar l’activité mitochondriale. Des tra-vaux in vitro ont donc été développésafin de tester une telle hypothèse et d’i-dentifier les bases moléculaires de l’in-fluence myogénique des mitochon-dries. Ces résultats ont ensuite ététestés sur souris transgéniques dontl’activité mitochondriale a été stimuléepar surexpression d’un récepteur mito-chondrial de la T3 dans le muscle.

1.2 / Caractéristiques mitochon-driales dans les différents typesde fibres

a) Au cours du développement pré-coce

Chez le bovin, quel que soit le mus-cle et le type génétique, le dernier tiersde la gestation est caractérisé par uneaugmentation de l’activité d’enzymesmitochondriales β-hydroxy-acyl-CoAdeshydrogénase (HAD), Cytochrome-coxydase (COX) et Isocitrate deshydro-génase (ICDH). Cette évolution estassociée à une augmentation des tauxcirculants d’hormones thyroïdiennes(T3, T4) et d’un de leur dérivé inactif(rT3), de l’activité 5’-désiodase (quiconvertit la T4 en T3 et la T3 en T2) età une diminution de l’expression de la

Implication des mitochondries dans la biologie musculaire ... / 247


Rappel sur la mise en place desfibres musculaires

La mise en place et le développe-ment du tissu musculaire résultentd’un ensemble complexe de processusqui interviennent depuis les phasesprécoces du développement jusqu’austade adulte. Au cours de la vie fœta-le, le déterminisme des lignages cellu-laires, la durée de la prolifération et laqualité de la différenciation des myo-blastes vont conditionner un paramè-tre important du développement de cetissu : le nombre de fibres musculai-res. En effet, pour la plupart des espè-ces animales d’intérêt zootechnique,ce nombre n’évolue plus significati-vement après la naissance. Chez desespèces à faible maturité telles que lerat, la souris ou le lapin, ce phénomè-ne d’hyperplasie persiste jusqu’au30e jour de vie postnatale. Les pois-sons constituent une exception avecl’existence d’un phénomène d’hyper-plasie musculaire qui persiste chez leslarves après l’éclosion et, pour denombreuses espèces dont la truite,tout au long de la vie.

Cette mise en place des fibres mus-culaires s’effectue de manière séquen-

tielle à partir de deux ou trois vaguesde myoblastes qui sont à l’origine desdifférents types de fibres :

– les myoblastes de première géné-ration (myoblastes embryonnaires),présents dès le stade embryonnaire,fusionnent de manière synchrone enmyotubes primaires et sont à l’originedes fibres lentes,

– les myoblastes de seconde généra-tion (myoblastes fœtaux) apparaissentau cours de la vie fœtale et fusionnentde manière asynchrone pour donnerdes fibres secondaires à la surface dechaque fibre primaire. Les myoblastesfœtaux, pluripotents, fusionnent à lafois avec des myotubes primaires ousecondaires pour former des fibreslentes ou rapides,

– chez les espèces de grande taille(bovin, mouton, homme), une troisiè-me génération de myoblastes de peti-te taille a été observée. Elle serait àl’origine des fibres IIA chez le bovin.Chez les poissons qui atteignent unegrande taille, le recrutement d’autresprécurseurs musculaires, situés autourdes fibres précédemment formées,contribue à la croissance du myotomejusqu’au stade adulte.

Tableau 2. Nature des prélèvements effectués dans les diverses espèces.

MyHC fœtale. Cependant, une corréla-tion positive entre les taux d’hormonesthyroïdiennes et l’activité COX n’a étéobservée que dans le muscle oxydatif(Cassar-Malek et al 2006, Listrat et al2001). Compte tenu de l’influence bienétablie des hormones thyroïdien-nes sur la biogenèse mitochondriale(Wrutniak-Cabello et al 2001), cetteobservation suggère que, comme chezle Rat (Bahi et al 2005), les musclesglycolytiques ou oxydo-glycolytiquesseraient caractérisés par un faible nom-bre de récepteurs à ces hormones. Parailleurs, l’activité de certaines enzymesmitochondriales (COX et F0-F1-ATPase) est plus faible dans le musclerectus abdominis (RA) au cours du der-nier tiers de gestation (Orzechowski etal 2002), ce qui suppose l’existenced’un retard de différenciation métabo-lique pour ce muscle dit mixte.

Chez le porc, les mitochondriesmusculaires semblent également trèsimmatures aux trois quart de la gesta-tion. En effet, leur activité bioénergé-tique est faible par rapport aux mus-cles adultes quel que soit le stade et lemuscle testés. Il existe cependant desdifférences de fonctionnement impor-tantes des mitochondries entre lesgénérations de fibres d’une part, etentre muscles d’autre part : i) austade de 50 jours, avant l’initiationdes processus de différenciationcontractile, la densité de mitochon-dries apparaît déjà plus élevée dansles fibres primaires du muscle rhom-boideus (RH) (oxydatif) que dans cel-les du muscle longissimus thoracis)(LT) (glycolytique) ; ii) au stade90 jours, les mitochondries des myo-tubes secondaires du muscle LT mon-trent une capacité oxydative plus fai-ble que celles du muscle RH. Cettedifférence est associée à une expres-sion différentielle des MyHC adultes,suggérant une évolution parallèle dela maturation des mitochondries et del’acquisition des caractéristiquescontractiles des myotubes secondai-res ; iii) on observe une différencemarquée de la régulation de la respira-tion mitochondriale entre les myotu-bes primaires et secondaires. Ainsi,les mitochondries des myotubessecondaires qui expriment les MyHCde type II présentent des caractéris-tiques typiques de celles des fibresrapides glycolytiques IIX (forte affi-nité pour l’ADP) tandis que la régula-tion de l’activité mitochondriale dansles myotubes primaires qui exprimentla MyHC I est plus proche de celleobservée dans les fibres lentes oxyda-tives (faible affinité pour l’ADP)

(Gueguen et al données non publiées).Ces résultats suggèrent que la mise enplace des mécanismes de la régulationmitochondriale s’établirait de façontrès précoce, dès la mise en place desmyotubes primaires.

b) Chez l’adulte

Comparaison des propriétéscontractiles et métaboliques entre typesde muscles

Chez le bovin, deux muscles ont étéétudiés : le rectus abdominis (RA) quicontient environ un tiers de fibres I, IIAet IIB, et le semitendinosus (ST) quicontient beaucoup plus de fibres IIB(72 %). Dans ces deux muscles, l'acti-vité LDH est en corrélation négativeavec la proportion de MyHC I, alorsqu’elle est positivement corrélée avecla proportion de MyHC IIX. La propor-tion de MyHC I est par ailleurs positi-vement corrélée avec des indicateursdu métabolisme oxydatif (ARNmFABP-H, activités CS, ICDH et HAD).Parmi les variables étudiées, FABP-H,ICDH, COX, MyHC I, MyHC IIX etLDH sont les indicateurs les plus dis-criminants du type de muscle(Hocquette et al 2004). La recherche,sans à priori, d’autres indicateurs parcomparaison du transcriptome desmuscles RA et ST de bovin ne met pasen évidence d’acteurs majeurs du fonc-tionnement mitochondrial, à l'excep-tion de l’ICDH (ICDH β-sub-unit pre-cursor) (Sudre et al 2003, 2005).

Les relations négatives entre activi-tés mitochondriales et expression desisoformes rapides des chaînes lourdesde myosine ne sont pas généralisa-bles. En effet, chez la truite arc-en-ciel, un régime riche en soja et supplé-menté en acide glutamique conduit àune augmentation des activités mito-chondriales COX et CPT I dans lesdeux types de muscles axiaux (blancet rouge) et à une augmentation del’expression des isoformes des chaî-nes lourdes de myosine rapides uni-quement dans le muscle blanc (Alami-Durante et al 2002). Ce résultatsouligne l'importance du facteur devariation étudié et, une fois encore, laréponse spécifique de chaque type demuscle.

Comparaison du fonctionnementmitochondrial entre types de muscles

Les études sur mitochondries isoléesà partir de muscle de porc montrent quela capacité de respiration maximale(état III) est plus élevée pour le muscleRH oxydatif que pour le LT glycoly-

tique, alors que la respiration basale(état IV) ne diffère pas. Le couplageoxydation-phosphorylation (RCR) et lasynthèse d’ATP sont de ce fait plusimportants (x 1,3) dans les mitochon-dries du RH (x 1,3). Ces différencessemblent liées à une capacité d’oxyda-tion des substrats plus importante dansles mitochondries du muscle oxydatifet non à des différences de potentiel dephosphorylation. En effet, l’activitéCOX est 1,2 fois plus importante dansles mitochondries du RH, tandis que lesactivités de la F0-F1-ATPase et de lacréatine kinase mitochondriale (mi-CK) sont identiques. Enfin, les mito-chondries du LT sont plus sensibles àl’inhibition de la respiration par l’ATPque celles du RH. Ces résultats indi-quent que les mitochondries des mus-cles oxydatif et glycolytique diffèrentdans leurs propriétés fonctionnelles(Gueguen et al 2005a) confirmant etaffinant ainsi les observations plus glo-bales réalisées chez le bovin.

Le fonctionnement mitochondrial aensuite été étudié sur fibres perméabili-sées de lapin pour préserver l’environ-nement cellulaire des mitochondries.Chez cette espèce, il a été possible d'ob-tenir des fibres homogènes de types I ouIIX, ainsi qu’un mélange de fibres IIAet IIX (appelées arbitrairement IIAX)ou majoritairement IIB (appelées IIB+).La capacité oxydative maximale totaleet par mitochondrie s’avère différenteentre les différentes catégories de fibresperméabilisées suivant l’ordre I > IIAX> IIX et IIB+. Les fibres I présentent unmeilleur couplage oxydation–phospho-rylation (RCR) et un Km apparent pourl’ADP beaucoup plus élevé que lestypes IIX et IIB+, les fibres IIA présen-tant un Km intermédiaire. Les fibres IIAprésentent des caractéristiques plus pro-ches des fibres de type I que de type IIXou IIB, avec notamment la présenced’un couplage fonctionnel entre l’acti-vation de la mi-CK et la productiond’ATP, couplage qui n’apparaît pas dansles fibres IIB ou IIX. De plus, dans lesfibres IIA, comme dans les fibres I, larespiration mitochondriale est stimuléeen présence de créatine ou d’AMP. Demême, l’addition de calcium entraîneune augmentation de la sensibilité mito-chondriale à l’ADP dans les fibres I etIIA, cette augmentation étant liée à l’ac-tivation des myosines-ATPases par lecalcium (Gueguen et al 2005b, 2005c)alors qu’aucune de ces régulations n’estobservée dans les fibres IIB ou IIX. Uneprésentation plus complète de ces résul-tats est proposée dans un autre article dece dossier (Gueguen et al 2006).



ConclusionsL’ensemble de ces résultats confirme

donc l’importance du dernier tiers de lagestation pour la différenciation contrac-tile et métabolique des fibres musculai-res. Dans l’espèce bovine, cette périodede la vie fœtale est caractérisée par uneaugmentation du métabolisme oxydatif,qui pourrait être sous contrôle des hor-mones thyroïdiennes au moins pour lesmuscles oxydatifs. Les résultats obtenuschez le porc indiquent qu’il existe uneévolution simultanée de la maturation del’activité mitochondriale et de l’acquisi-tion des caractéristiques contractiles desfibres musculaires. Ils suggèrent égale-ment qu’une différence dans la densitédes mitochondries précède l’expressiondifférentielle des myosines dans chaquetype de muscle.

Chez l’animal en croissance, le fonc-tionnement des mitochondries des fibresIIA, bien que rapides, apparaît beaucoupplus proche de celui des fibres lentes Ique de celui des fibres rapides IIX etIIB. Ainsi, la régulation de la respirationmitochondriale dans les fibres de types Iet IIA est hautement spécialisée avecune optimisation de l’efficacité desmitochondries (couplage entre oxyda-tion et phosphorylation, capacité oxyda-tive maximale) et un couplage fonction-nel entre les kinases mitochondriales etla production d’ATP. Ces couplages sup-portent un fonctionnement des systèmescréatine et adénylate kinases de typenavette permettant, avec la restriction dela sensibilité à l’ADP, un transfert éner-gétique et une communication efficaceentre mitochondries et myosines-ATPases. Au contraire, le fonctionne-ment des mitochondries des fibres IIX etvraisemblablement IIB ne présente pasde régulation particulière, à l’exceptiond’une forte sensibilité à l’inhibition de larespiration par l’ATP, qui pourrait parti-ciper à la régulation de la respirationmitochondriale, et notamment à soninhibition observée dans ces fibres enphase de repos.

1.3 / L’activité mitochondrialerégule la différenciation desmyoblastes et l’expression desisoformes de myosines : méca-nismes impliqués

Parallèlement à leur implicationmajeure dans le métabolisme énergé-

tique, les mitochondries interviennentdans les processus de prolifération etde différenciation cellulaires. Des tra-vaux réalisés à l’INRA ont notammentétabli l’importance de l’activité del’organite dans la régulation de la dif-férenciation des myoblastes, à traversle contrôle de l’expression de myogé-nine et la capacité des facteurs myo-géniques à induire la différenciation(Rochard et al 2000). Dans le but demieux comprendre les mécanismesimpliqués dans la régulation de la dif-férenciation des myoblastes par l’acti-vité mitochondriale, cette étude a étéaxée sur deux cibles potentielles del’activité de l’organite : le proto-onco-gène c-Myc et Calcineurine. Cescibles avaient été identifiées dans lecadre de travaux préliminaires utili-sant notamment la technique deDifferential Display.

a) Implication du proto-oncogènec-Myc

C-Myc est un facteur de transcrip-tion impliqué dans l’apoptose, latransformation cellulaire, la proliféra-tion et la différenciation (Henrikssonet Luscher 1996). L’inhibition de l’ex-pression de c-Myc est considéréecomme un événement majeur surve-nant au cours de la différenciation denombreux types cellulaires (Siebenlistet al 1988, Grolli et al 1997, Ryan etBirnie 1997). Inversement, la surex-pression de c-Myc inhibe la différen-ciation terminale des myoblastes(Crescenzi et al 1994, La Rocca et al1994) à travers un mécanisme impli-quant myogénine (Miner et Wold1991). Ces données bibliographi-ques ont conduits à étudier l’implica-tion de ce proto-oncogène dans larégulation de la différenciation desmyoblastes par l’activité mitochon-driale.

Une inhibition de l’activité mito-chondriale induite par le chloramphéni-col3 abroge l’inhibition de l’expressionde c-Myc (ARNm et protéine) qui sur-vient au début de la différenciation ter-minale des myoblastes. Récipro-quement, l’expression de c-Myc estinhibée par une stimulation de l’activi-té mitochondriale induite par surex-pression du récepteur mitochondrial dela T3 (p43)4. L’étude de la ½ vie desmessagers de c-Myc suggère que cetterégulation s’exerce à travers des méca-

nismes post-transcriptionnels. De plus,l’existence d’un autre niveau de régula-tion de c-Myc par l’activité de l’organi-te spécifique à l’espèce aviaire a étéétablie. En effet, contrairement à c-Mycmurin qui présente une localisationnucléaire exclusive, c-Myc aviaire estlocalisé dans le noyau et dans le cyto-plasme. Or, une inhibition de l’activitémitochondriale par le chloramphénicolaccroît la fréquence de localisationnucléaire de c-Myc, et par conséquentson activité transcriptionnelle. Une sti-mulation de l’activité de l’organite parsurexpression de la p43 produit leseffets inverses. Ces données démon-trent donc que, dans l’espèce aviaire,les mitochondries régulent non seule-ment l’expression de c-Myc, mais éga-lement son activité, via une régulationde sa localisation cellulaire

De plus, la surexpression de c-Mycdans les myoblastes reproduit les effetsd’une inhibition de l’activité mitochon-driale par le chloramphénicol : i) inhi-bition de la différenciation terminale ;ii) répression de l’expression de myo-génine, sans modification de celle deCMD1 (MyoD aviaire) ; iii) blocage del’aptitude des facteurs myogéniques(MyoD, myogénine) à induire la diffé-renciation.

Cet ensemble de résultats suggèredonc que c-Myc est une cible importan-te de l’activité mitochondriale impli-quée dans l’influence myogénique del’organite. Cette hypothèse est confor-tée par les résultats obtenus dans lesmyoblastes surexprimant la p43. Eneffet, dans ces cellules, la surexpressionde c-Myc compense la diminution del’expression du gène c-Myc endo-gène induite par la stimulation de l’ac-tivité mitochondriale, et abroge l’in-fluence myogénique de p43 (Seyer et al2006a).

Enfin, l’activité mitochondriale ciblepréférentiellement les cellules prolifé-ratives. Des analyses du cycle cellulai-re montrent que la fréquence des myo-blastes en G0-G1 à confluencecellulaire est augmentée par surexpres-sion de p43 et diminuée par le chloram-phénicol ou la surexpression de c-Myc(Seyer et al 2006a). Ces résultats indi-quent que la sortie irréversible desmyoblastes du cycle cellulaire, prére-quis majeur pour la différenciation ter-



3 Cet antibiotique bloque la synthèse protéique spécifique de la mitochondrie, ce qui inhibe l'activité de 4 des 5 complexes de la chaîne respiratoire qui comprennentdes sous-unités codées par le génome mitochondrial. 4 p43 est une forme tronquée d'un récepteur nucléaire de la T3, spécifiquement adressée dans les mitochondries. Il s'agit d'un facteur de transcription du génomemitochondrial qui stimule l'expression des protéines codées par ce génome, l'activité de la chaîne respiratoire et la mitochondriogenèse (Wrutniak et al 1995, Casaset al 1999).

minale, est une cible de l’activité mito-chondriale via le contrôle de l’expres-sion de c-Myc.

b) Implication de la CalcineurineCalcineurine est une phosphatase cal-

cium dépendante impliquée dans lasignalisation calcique qui semble inter-venir dans la régulation de la différen-ciation musculaire (Semsarian et al1999, Friday et al 2000), en particulierde la différenciation contractile (Chinet al 1998, Delling et al 2000).

Or, l’expression de Calcineurine(ARNm et protéine) est diminuée aucours de la différenciation des myo-blastes par une inhibition de l’activitémitochondriale, induite par le chloram-phénicol, ou par la surexpression de c-Myc. Réciproquement, la surexpres-sion de la p43 accroît son niveau d’ex-pression. Ces données démontrent doncque l’expression de Calcineurine estrégulée par l’activité mitochondriale ;ils suggèrent également que cette régu-lation s’exerce à nouveau via le contrô-le de c-Myc (Seyer 2005).

Par ailleurs, la surexpression d’uneforme constitutivement active deCalcineurine dans les myoblastes aviai-res QM7 ou murins C2C12, induit uneforte stimulation de la différenciationassociée à une augmentation de l’ex-pression de myogénine. Récipro-quement, la surexpression stable d’unmessager antisens de Calcineurine dansdes myoblastes C2C12 induit une fortediminution du niveau de la protéine etune inhibition complète de la différen-ciation, associée à l’extinction de l’ex-pression de myogénine. Ces résultatsdémontrent donc que, via le contrôle del’expression de c-Myc, l’activité mito-chondriale régule l’expression deCalcineurine. Cette phosphatase cal-cium dépendante régule à son tour l’ex-pression de myogénine et la différen-ciation des myoblastes (Seyer 2005).

L’expression de Calcineurine a étéassociée à l’acquisition d’un typecontractile lent par les fibres musculai-res (Chin et al 1998). Ceci suggéraitdonc que l’activité mitochondriale, encontrôlant l’expression de Calcineu-rine, intervenait dans l’acquisition descaractéristiques contractiles des fibresmusculaires. Une telle hypothèse expli-querait l’association métabolisme oxy-datif/type contractile lent. En accordavec cette hypothèse, la surexpressionde Calcineurine ou de p43 accroît trèsfortement l’expression des myosineslentes (figures 2 et 3), au détriment desmyosines rapides, dans les myo-

blastes murins de la lignée C2C12.Ces données démontrent donc que l’ex-pression des isoformes de myosinedans les myoblastes en culture estcontrôlée par la voie d’action mito-chondriale de la T3, et plus générale-ment par l’activité mitochondriale(Seyer 2005).

c) Validation par transgenèse desrelations activité mitochondriale/caractéristiques contractiles des fibresmusculaires

Dans le but de mieux comprendrel’influence d’une stimulation de l’acti-vité mitochondriale sur le développe-ment musculaire, des souris transgé-niques qui surexpriment le récepteurmitochondrial de la T3 (p43) spécifi-quement dans le muscle ont été géné-

rées. Le transgène a été introduit dansun vecteur d’expression sous contrôledu promoteur de l’α-actine squelettiquehumaine. En accord avec les précéden-tes études utilisant le même promoteur(Brennan et Hardeman 1993), la p43est spécifiquement surexprimée dans lemuscle squelettique de souris. Surmitochondries isolées, une surexpres-sion maximale de la p43 d’un facteur 6est observée selon les lignées de souris.

Le phénotypage des animaux estactuellement en cours mais des résul-tats particulièrement intéressants ontdéjà été obtenus. Ainsi, chez les sourisâgées de 2 mois, l’étude de différentsmuscles (Gastrocnemius, Tibialis etSoleus) indique que la surexpression dela p43 entraîne une augmentation del’activité mitochondriale (activités de



Figure 2. Myoblastes aviaires en culture. La stimulation de l’activité mitochondriale parsurexpression de p43 stimule très fortement la différenciation des myoblastes, y com-pris lorsqu’elle est fortement réprimée par la présence de fortes concentrations desérum dans le milieu de culture.Immunofluorescence : anticorps dirigé contre la connectine (protéine spécifique dumuscle).

Témoins p43

Témoins p43

Figure 3. Myoblastes murins en culture. La stimulation de l’activité mitochondrialepar surexpression de p43 stimule très fortement la l’expression de myosine lente.L’image est prise à indice de fusion équivalent (Témoins : 4 jours de différenciation ;p43 : 2 jours de différenciation).Immunofluorescence : anticorps dirigé contre la MyHC lente (Seyer et al en prépara-tion).

la succinate déshydrogénase (SDH) etde la COX). Par ailleurs, des gelsd’électrophorèse et des expériencesd’immunohistochimie réalisées avecdes anticorps dirigés contre les chaîneslourdes de myosine (I, IIa, IIa+IIb),montrent une modification des caracté-ristiques contractiles, avec notamment,dans le Gastrocnemius, une augmenta-tion importante du nombre de fibres detype IIA associée à une diminution dunombre des fibres de type IIB. Ces don-nées valident donc les résultats obtenussur cultures de myoblastes (Casas et al2006). En parallèle, une invalidation dela p43 a été réalisée pour compléterl’interprétation de ces résultats. Lespremières souris homozygotes p43-/-obtenues sont en cours de phénotypage.

ConclusionsCette étude démontre l’existence

d’un dialogue mitochondries-noyau,non seulement impliqué dans la bioge-nèse mitochondriale, mais égalementdans le contrôle de gènes importants dudéveloppement musculaire. Elle a éga-lement permis d’établir que la voied’action mitochondriale de la T3 estimpliquée dans la régulation de la diffé-renciation des myoblastes.

Le contrôle de l’expression du proto-oncogène c-Myc constitue un élémentessentiel de cette influence myogé-nique. En effet, c-Myc module l’ex-pression de deux régulateurs de la différenciation des myoblastes : myo-génine et Calcineurine. Cette phospha-tase calcium-dépendante est impliquéedans l’acquisition du phénotype lentpar les fibres musculaires. Un tel méca-nisme permet à l’activité mitochondria-le, à la fois in vivo et in vitro d’orienterla nature contractile du type de fibres(figure 4). Ces données, validées invivo sur souris transgéniques, apportentune explication à l’association obser-vée chez le porc, le bovin et le lapinentre activité mitochondriale et type defibre. Elles démontrent également toutel’importance de la voie d’action mito-chondriale de la T3 dans les processusdu développement musculaire.

1.4 / Conclusions sur les rela-tions entre activité mitochon-driale et mise en place des fibresmusculaires.

Quelle que soit l’espèce étudiée ilsemble que l’activité mitochondrialemusculaire soit relativement immatureau cours des stades précoces du déve-loppement. Les résultats obtenus chezle bovin suggèrent que l’augmentation

de l’activité mitochondriale qui sur-vient au cours du dernier tiers de la ges-tation puisse être induite par l’évolu-tion simultanée des taux circulantsd’hormones thyroïdiennes, au moinsdans les muscles oxydatifs. Les résul-tats obtenus chez le porc mettent parailleurs en évidence une évolutionparallèle de l’activité mitochondriale etde l’acquisition des caractéristiquescontractiles des fibres musculaires. Ilssuggèrent, de plus, qu’une différencedans la densité mitochondriale auniveau des fibres primaires précède ledéterminisme du type contractile desfibres. Les données obtenues in vitro ousur souris transgéniques démontrentque l’activité mitochondriale des myo-blastes est un régulateur important de ladifférenciation musculaire ; de plus,elle est impliquée dans le déterminismedu type contractile des fibres. Cesrésultats, en accord avec les observa-tions sur la densité mitochondriale chezle fœtus de porc en développementexpliquent de manière satisfaisantel’association métabolisme oxydatif/type contractile lent observé dans lesfibres musculaires. Une partie desmécanismes impliqués a été élucidée

avec l’intervention du proto-oncogènec-Myc qui régule l’expression deCalcineurine et myogénine. Parailleurs, les travaux sur la voie d’actionmitochondriale de la T3 confirment sonimportance pour le développementmusculaire, et sont en accord avec lesrésultats associant la maturation desmitochondries musculaires à une évo-lution de l’activité thyroïdienne obser-vée chez le bovin.

Chez le bovin adulte, les enzymesmitochondriales ICDH et COX fontpartie des indicateurs les plus discrimi-nants du type de fibres ; l’analyse dufonctionnement mitochondrial sur fi-bres isolées suggère par ailleurs quel’activité mi-CK (ou le rapport mi-CK/CK totale) serait un indicateur per-tinent. Chez le porc et le lapin, l’ensem-ble des résultats acquis indique que lesdifférents types de fibres musculairesdiffèrent non seulement par leur densi-té mitochondriale, mais aussi par lanature intrinsèque des mitochondriesdont l’activité et la régulation sontsignificativement différentes. En parti-culier, les différences observées sont enparfait accord avec l’inhibition de l’ac-



Figure 4. Implication de la voie d’action mitochondriale de la T3 dans la différenciationmusculaire et l’acquisition des caractéristiques contractiles.

Le proto-oncogène c-Myc inhibe l’expression de Myogénine et de Calcineurine. Via la p43, la T3stimule l’activité mitochondriale et réduit l’expression de c-Myc. En conséquence, l’expressionaccrue de Calcineurine et surtout de myogénine stimule la différenciation des myoblastes. Deplus, Calcineurine oriente la différenciation contractile vers le type lent. Ces données expliquentnotamment l’association type métabolique oxydatif (activité mitochondriale importante)/typecontractile lent. Ces données sont en accord avec les résultats in vivo obtenus sur les souris sur-exprimant la p43 dans le muscle squelettique.

Myogénine

c-Myc

Différenciation

tivité respiratoire mitochondriale dansles fibres rapides au repos, tandis queles fibres IIA, bien que classées parmiles rapides, ont un fonctionnementmitochondrial très proche des fibreslentes.

2 / Rôle des mitochondriesdans le déterminisme de lateneur en lipides intramus-culaires

2.1 / Contexte et objectifsLa connaissance et la maîtrise du

déterminisme de la teneur en lipidesintramusculaires (LIM), paramètreessentiel de la jutosité et de la flaveurde la viande (Touraille 1994), est unobjectif important en production ani-male. Les muscles les plus oxydatifs(les plus riches en mitochondries) sem-blent contenir plus de lipides mais cetterelation est loin d’être généralisable etla teneur en LIM pourrait plus proba-blement être la résultante d’un équili-bre entre les différentes voies du méta-bolisme des lipides dans le muscle(capture, dépôt, synthèse, lipolyse,oxydation). Nous avons donc tentéd’apprécier l’importance respective deces différentes voies, et notamment del’oxydation mitochondriale des acidesgras et de l’activité de la carnitine pal-mitoyl transférase 1 (CPT 1), dans lesvariations de la teneur en LIM de diffé-rentes espèces animales et dans diffé-rents muscles. Nous nous sommesensuite attachés à préciser si une modi-fication de l’oxydation mitochondrialepar les facteurs d’élevage s’accompa-gnait d’un changement concomitantdes teneurs en LIM.

2.2 / Relations entre l’activitémitochondriale et la teneur enlipides intramusculaires

D’une façon générale, l’exploitationde la variabilité des teneurs en LIMentre muscles, entre génotypes ou enfonction de l’âge montre que, au mêmetitre que le potentiel de synthèse ou detransport des acides gras, le potentield’oxydation des acides gras et la teneuren LIM sont corrélés positivement(r = 0,60 chez le porc et le bovin). Eneffet, lorsque l’on compare des musclesde types métaboliques différents intraou inter-races, chez le bovin(Hocquette et al 2003a) et le lapin(Gondret et al 2004), les muscles lesplus riches en lipides possèdent lespotentiels d’oxydation mitochondriale,de synthèse et de transport des acides

gras les plus importants. Différentsmuscles oxydatifs ou glycolytiques ontété étudiés chez des bœufs et des tau-rillons de race Angus (grasse),Limousine (maigre) (figure 5) et/ouBlanc Bleu Belge (très maigre) (Bultotet al 2002, Hocquette et al 2002). Lesactivités enzymatiques mesurées per-mettent de classer les échantillons mus-culaires du plus oxydatif au plus gly-colytique, c’est-à-dire dans l’ordredécroissant des teneurs en LIM. Deplus, en race Charolaise, la sélectiongénétique favorisant la croissance mus-culaire s'accompagne d'une diminutiondu métabolisme oxydatif concomitanteà une diminution des teneurs en LIM(Hocquette et al 2004). Chez la truite etchez le porc, l’activité CPT1 est plusélevée dans les muscles rouges trèsriches en lipides que dans les musclesblancs pauvres en lipides et dont lepotentiel de β-oxydation est faible(Schmidt et Herpin 1997, Herpin et al2003, Gutières et al 2003). Ces résul-tats suggèrent que la teneur en LIM estdavantage corrélée avec l’importancedes flux de lipides dans le muscle (tur-nover) qu’avec une voie métabo-lique particulière. Chez le lapin, cetteconclusion est d’ailleurs confortéepar les résultats d'une analyse en com-posantes principales (Gondret et al2004).

En revanche, lorsque le même typed’expérience est réalisé sur une généra-tion F2 de porcs Large White x Durocprésentant des teneurs élevées ou fai-bles en LIM, les différences de poten-tiel d’oxydation mitochondrial des aci-des gras ne sont pas significatives etaucune différence dans l’expression desisoformes musculaires et hépatiques dela CPT1 n'est observée. Par contre,dans ce cas (Lebret et al 2002, Damonet al 2002, 2006) les corrélations lesplus importantes sont obtenues avec lateneur en FABP adipocytaire (une pro-téine cytoplasmique de transport desacides gras exclusivement expriméedans les adipocytes intramusculaires),rejoignant en cela les résultats obtenussur le bovin (Hocquette et al 2003a,Barnola et al 2005), et avec le nombred’adipocytes intramusculaires. Tous lesautres marqueurs du métabolisme lipi-dique musculaire restent inchangés. Encomplément, l’analyse comparée del’expression de 600 gènes issus d’unebanque multi tissus porcine, a permisd’identifier 8 gènes différentiellementexprimés dans le Longissimus thoracis(LT) de ces animaux. Cependant, àl’exception de la carnitine acylcarnitinetranslocase, aucun de ces gènes neconcerne de près ou de loin le fonction-nement mitochondrial (Damon et al2003).



Figure 5. Caractéristiques biochimiques [teneurs en triglycérides] et métaboliques[activités de la lactate déshydrogénase (LDH), de la phosphofructokinase (PFK), de lalipoprotéine lipase (LPL), de la citrate synthase (CS), de la β-hydroxy-acyl-CoA dé-shydrogénase (HAD), de l'isocitrate déshydrogénase (ICDH) et de la cytochrome-coxydase (COX), teneur en Fatty Acid Binding Protein des Adipocytes (FABP-A)] dumuscle Longissimus thoracis de bœufs Limousins (produisant une viande maigre) et debœufs Angus (produisant une viande grasse). Les résultats des activités enzymatiquessont exprimés par mg de protéines et les résultats sont rapportés en valeurs centréespar rapport à 1 (adapté de Hocquette et al 2003a).



2.3 / Régulation de la teneur enLIM et de l’activité mitochon-driale par les facteurs d’élevage

Par cette approche, nous voulionsdéterminer si les facteurs d’élevagerégulent de façon concomitante l’acti-vité mitochondriale et la teneur enLIM.

Chez le bœuf, l’apport d’huile detournesol ou de lin (riches en lipidespolyinsaturés) par infusion dans le duo-dénum modifie l’activité métaboliquedes muscles (augmentation du potentielde β-oxydation, diminution des poten-tiels d'utilisation du glucose et de lachaîne respiratoire) sans modifier lesteneurs en LIM (Bouhraoua et al 2001).Par ailleurs, le muscle RA de bœufs aupâturage (régime à base d’herbe avecdéplacement) présente des activitésmitochondriales supérieures à ceux ali-mentés à l’auge avec un régime à based’ensilage de maïs (Listrat et al 2001)alors que les teneurs en LIM sont com-parables. Il s’avère que l’augmentationdes activités citrate synthase (CS) etHAD au pâturage est sans doute davan-tage liée à l’activité physique des ani-maux qu’au régime alimentaire (Jurieet al 2006).

Chez le poisson, la teneur en LIM dumuscle blanc et du muscle rouge aug-mente avec le taux de lipides de l'ali-ment, mais aucune modification del’activité CPT1 et de sa régulation parle malonyl-CoA n’est observée dansles tissus musculaires. La nature desacides gras du régime ne modifie passignificativement l’activité CPT1 desmuscles (cardiaque, blanc et rouge),les capacités d’oxydation du palmitateet les teneurs en LIM de ces tissus. Enrevanche, le remplacement de la farinede poisson dans l’alimentation de latruite par du soja riche en phyto-estrogènes qui perturbe la prise ali-mentaire et le métabolisme, stimulel’activité de la CPT1 dans tous les tis-sus (effet particulièrement marquédans le muscle rouge) alors que leremplacement de la farine de poissonpar un mélange de sources protéiquesexcluant le soja (gluten de blé, demaïs, farines de pois extrudé et decolza) tend à diminuer les capacitésoxydatives des muscles. L’ensembledes résultats obtenus indique que l’ac-tivité CPT1 dans les tissus musculai-res de la truite arc-en-ciel est faible-ment régulée par les nutriments. Enrevanche, l’activité CPT1 est stimuléedans les situations où la demandeénergétique est accrue (jeune, régimedéséquilibré par rapport aux besoins).

Cette stimulation de l'activité cor-respond à une expression accrue desisoformes A et B. En effet, 4 isoformesde CPT1 ont été identifiées chez latruite, leur expression est ubiquitaire àl'exception de l'isoforme D dont l'ex-pression dans les tissus musculairesn'est détectable que dans les stadesprécoces (Gutières 2003).

Enfin, chez le mini-porc, laconsommation d’un régime riche enlipides et en glucides à haut niveauglycémique, augmente légèrement lateneur en LIM et s’accompagne d’uneréduction du niveau d’ARNm de laCPT1 sans modification du potentielmaximal d’activité de la CS et de laHAD (Guillerm-Regost et al souspresse).

2.4 / ConclusionL’activité mitochondriale n’apparaît

pas toujours comme un déterminantmajeur de la teneur en LIM. Dans lescomparaisons entre types de muscles,la teneur en LIM est davantage corré-lée avec l’importance des flux de lipi-des dans le muscle (turnover) qu’avecune voie métabolique particulière,alors que pour certains génotypes par-ticuliers, certains facteurs non mito-chondriaux comme la teneur enFABP-A apparaissent déterminants.Les manipulations nutritionnellesn’apportent pas davantage d’élé-ments permettant de relier clairementactivité mitochondriale et teneur enLIM.

3 / Implication des protéi-nes découplantes (UCP2,UCP3 et UCP aviaire) dansle contrôle du métabolismeénergétique et lipidiquemusculaire

3.1 / Contexte et objectifsLes protéines découplantes (UCP)

sont des protéines mitochondriales quidiminuent la synthèse d'ATP associée àl'oxydation des substrats énergétiques(figure 6). Elles appartiennent à unefamille de gènes initialement mise enévidence dans le Tissu Adipeux Brun(TAB). Le rôle thermogènique del'UCP1 (spécifique du TAB) est claire-ment établi depuis longtemps (produc-tion de chaleur par dissipation du gra-dient électrochimique de protons auniveau de la membrane mitochondrialeinterne). Mais la découverte en 1997 et1998 de trois nouveaux membres s'ex-primant dans de nombreux autres tissus(UCP2, protéine ubiquitaire, UCP3 etUCP4 spécifiques respectivement dutissu musculaire et du cerveau) a ren-forcé l'intérêt pour ces protéines quisemblent posséder la même activitébiologique et pourraient jouer un rôleclé dans le contrôle du métabolismebasal et des dépenses énergétiques(Rolfe et Brand 1996, Rousset et al2004). Cependant, les mécanismes misen jeu sont encore controversés(Hesselink et al 2003) et la fonction

Figure 6. Fonctionnement de la chaîne respiratoire.

physiologique de ces protéines reste àidentifier : rôle thermogénique, rôleanti-obésité, transport d’acides gras,prévention contre la production de radi-caux libres ?

Après avoir démontré la présence deces protéines chez des espèces de rentedépourvues de TAB, le porc (présencedes UCP2 et UCP3, Damon et al 2000)et l’oiseau (existence d’une avUCP,Raimbault et al 2001), nous nous som-mes attachés à décrire leur expressionau cours du développement et à tenterde préciser leur rôle dans le métabolis-me énergétique et lipidique musculaire.

3.2 / Expression des UCPs dansle muscle au cours du dévelop-pement

Chez le porc, comme chez les autresmammifères, l’UCP3 n’est pas expri-mée au cours de la période fœtale. Enrevanche, elle est fortement induite à lanaissance puis le taux d’ARNm dimi-nue à 5 jours pour atteindre le niveaud’expression de l’adulte. L’UCP2 enrevanche est primée au cours de lapériode fœtale dès le stade myotubeprimaire et son expression est alorsplus importante dans un muscle LT gly-colytique que dans un muscle RH oxy-datif. En revanche à la naissance leniveau d’expression d’UCP2 diminueet n’est plus modifié jusqu’au staded’abattage (100 kg). Si l’induction del’expression d’UCP3 à la naissance aété corrélée à la transition d’un régimealimentaire fœtal riche en glucides versune alimentation lactée riche en lipides(Brun et al 1999), la fonctionnalité et lerôle d’UCP2 dans le muscle fœtal resteà démontrer.

Par ailleurs, chez les mammifères, onobserve généralement une expressionpréférentielle des UCPs dans les mus-cles glycolytiques et oxydo-glycoly-tiques par rapport aux muscles oxyda-tifs. Nous ne retrouvons pas ce résultatchez le porc, en accord avec la mesured’un potentiel de membrane identiquedans les muscles LT et RH (Damon etal 2000). Chez le poulet nourri, l’ex-pression d’avUCP varie en revanche enfonction du type métabolique du muscle (mixte>glycolytique>oxydatif,Cassy et al 2005). Cette expressionmajoritaire dans les muscles mixteschez l’oiseau pourrait leur conférer unemeilleure flexibilité vis-à-vis de l’utili-sation des ressources énergétiquesdisponibles (glucides versus lipides).La question de l’expression différen-tielle des UCPs en fonction du type defibre reste donc largement ouverte.

3.3 / Implication des UCPs dansle contrôle du métabolisme éner-gétique

Différentes situations physiologiquesconnues pour moduler l’intensité dumétabolisme énergétique ont été com-parées pour tenter d’obtenir une pre-mière indication sur l’implication éven-tuelle des UCPs.

Chez le porc, les UCPs ne semblentpas être impliquées dans les réponsesadaptatives à l’environnement ther-mique. Comme cela est rapporté pourd’autres mammifères (Ricquier 2005),nous n’observons pas de modificationde l’expression des UCPs dans le mus-cle en réponse au froid (stress froid de4 h chez le nouveau-né, très sensible aufroid). Une exposition au chaud nemodifie pas davantage l’expression desUCP2 et UCP3 dans le muscle (Damoncommunication personnelle). Ce résul-tat tranche d’ailleurs avec l’inductionde l’expression d’UCP3 observée parKatsumata et al (2004) dans les mus-cles de porcs élevés au chaud. Enrevanche, nos résultats suggèrent queles UCPs pourraient intervenir dans lecontrôle du métabolisme basal. Ainsi,la comparaison de porcelets chinois derace Meishan, plus matures au planphysiologique et en termes de métabo-lisme énergétique à la naissance, avecdes porcelets de génotypes convention-nels montre que ces animaux possèdentà la fois un métabolisme basal supé-rieur et une expression d’UCP3 supé-rieure dans le muscle Rhomboïde et letissu adipeux (Herpin et al 2004).

La réponse des UCPs musculairesaux modifications de l’environnementthermique semble différente et plusclaire chez les oiseaux. En effet, despoulets exposés à un froid modéré(20 vs 29°C) pendant 7 jours présententune thermogenèse plus élevée (+ 83 %)qui s’accompagne d’une augmentationde 20 % de l’expression d’avUCP(Collin et al 2003a). A l’inverse, unconditionnement précoce au chauddiminue fortement l’expressiond’avUCP (- 85 %, Taouis et al 2002),un résultat confirmé dans une étudeplus récente menée sur des poussins detrois jours conditionnés ou non à la cha-leur pendant l’embryogenèse (Collincommunication personnelle). Toujourschez les oiseaux, il nous a paru inté-ressant de comparer l’expressiond’avUCP dans les lignées divergentessélectionnées sur l’efficacité alimentai-re (indice de consommation). Cepen-dant, bien qu’elles présentent desdifférences marquées au plan du méta-

bolisme lipidique et de l’efficacitéénergétique, ces deux lignées ne diffé-rent pas pour l’expression d’avUCP,quel que soit le type métabolique demuscle étudié (Cassy et al 2005).

Enfin, l’effet de l’activité physiquesur l’expression protéique d’UCP3dans le muscle a été étudié sur deshomogénats musculaires de 2 lots delapins ayant été soumis à un exercicephysique répété (saut) ou sédentaires.Aucune modification du contenu enUCP3 n’a ici été mise en évidence endépit d’une meilleure aptitude du mus-cle à oxyder les acides gras.

3.4 / Régulation hormonale desUCPs

La triiodothyronine (T3), hormonethermogénique modifiant la conductan-ce membranaire des mitochondrieschez les Mammifères et les Oiseaux(Rousset et al 2004), est connue pourstimuler la dépense énergétique. Chezle rat, l’UCP3 serait la cible moléculai-re principale de la T3 avec une induc-tion d’un facteur 25 de son niveau d’ex-pression dans le muscle (De Lange et al2001). Nous confirmons ce résultatdans les espèces de rente. Ainsi, chez lepoulet l’expression moléculaired’avUCP double dans le muscle gas-trocnémien d’animaux hyperthyroï-diens (régime supplémenté en T3), etest fortement inhibée chez les pouletsrecevant l’inhibiteur thyroïdien méthi-mazole (Collin et al 2003b). En revan-che, une injection d’insuline(8u/kgPV/j) pendant 5 jours ne modifiepas l’expression d’avUCP dans le mus-cle.

Chez le porc, l’induction des ARNmUCP3 par un traitement aigu avecdes doses supra physiologiques(250 µg/kg/j) de T3 est plus importantedans le muscle LT glycolytique quedans le muscle RH oxydatif (Damon etal 2000). Ce résultat est conforté pardes données montrant qu’un traitementchronique de 7 jours avec des dosesplus physiologiques (40 µg/kg/j) de T3induit l’expression d’UCP3 (fac-teur 4-5) dans le muscle LT mais pasdans le RH. En parallèle, le métabolis-me basal des animaux augmente, larespiration des mitochondries isoléesdu muscle LT augmente de 15 % et leurpotentiel de membrane diminue, indi-quant une augmentation des fuites deprotons chez les animaux traités T3.Comme dans les études antérieures,l’expression basale du gène UCP3 estcependant très faible et l’effet de la T3semble beaucoup moins important que





chez le rat (facteur 5 versus facteur 25).Ces traitements n’ont en revanche pasd’effet sur l’expression du gène UCP2et ceci quel que soit le muscle étudié. Atravers son rôle dans le contrôle des fui-tes de protons, l’UCP3 semble doncjouer un rôle clé dans la réponse dumuscle à la T3, un effet qui dépend dutype métabolique et contractile desmuscles.

3.5 / Implication des UCPs dansle métabolisme lipidique

Les données bibliographiques suggè-rent une implication des UCPs dans lemétabolisme (transport intra membra-naire) des acides gras (Dulloo 2004) etune approche positionnelle a montréque les locus des gènes UCP2 et UCP3coïncident avec des QTLs marqueursde l’obésité. Nous avons donc recher-ché l’existence d’un lien éventuel avecle métabolisme lipidique.

En utilisant les lignées divergentes depoulet maigres ou grasses, nous mon-trons que l’expression d’avUCP est for-tement corrélée avec l’expression dugène de la CPT1 musculaire. De plusl’expression d’avUCP est accrue de30 % chez les poulets «gras», qui sem-blent avoir un turnover lipidique plusimportant que les poulets du génotype«maigre». Cet effet est accentué chezles poulets recevant un régime enrichien lipides (Collin communication per-sonnelle). Ces variations corrélativessuggèrent effectivement une relationentre avUCP et métabolisme lipidique.Mais cette relation est loin d’être uni-voque. En effet, Schrauwen et al (2003)ont montré que l’inhibition de la CPT1

augmente l’expression de la protéineUCP3 dans le muscle de rat. Parailleurs, nous montrons que l’expres-sion des gènes UCP3 et UCP2 dans lesmuscles LT et RH de porcs croisés LWx Duroc sélectionnés sur la base deleurs teneurs (haute ou basse) en lipidesdu muscle (cf partie 2) ne diffère pas,aucune corrélation entre l’expressiond’UCP2 ou d’UCP3 et l’oxydation desacides gras ne pouvant être mise en évi-dence. Enfin, chez des mini porcsYucatan ayant reçu un régime hyperénergétique l’expression de la lipasehormono-sensible (enzyme clé de lalipolyse), de la CPT1 ou de l’UCP2sont sensiblement diminuées par rap-port aux porcs témoins, alors quel’UCP3 est inchangée. Cette diminu-tion du catabolisme lipidique est aussiassociée à une réduction de la sensibili-té à l’insuline du muscle squelettiquechez le mini porc (Guillerm Regost etal 2006 sous presse).

3.6 / ConclusionNous montrons que UCP2, UCP3 et

avUCP sont exprimées et régulées defaçon différentielles (Collin et al 2005,tableau 3) mais il reste difficile deconclure sur leur rôle physiologiquedans le muscle. UCP2 est largementexprimée pendant la période fœtale tan-dis que UCP3 est induite à la naissance.Contrairement à UCP2, UCP3 etavUCPs sont des effecteurs importantsde l’effet de la T3 sur les dépensesénergétiques et pourraient jouer un rôleclé dans le contrôle du métabolismebasal. En revanche, seule avUCP sem-ble impliquée dans les réponses à l’en-vironnement thermique. L’implication

dans le métabolisme lipidique est peuclaire et pourrait davantage concerneravUCP et UCP2. Une revue plusdétaillée sur le rôle des UCPs musculai-res est jointe à ce dossier (Damon etCollin 2006).

4 / Etude du rôle d’un dys-fonctionnement mitochon-drial dans la fonte muscu-laire

4.1 / Contexte et objectifsAu cours du vieillissement, une

réduction de la masse des protéinesmusculaires est observée. Ce phénomè-ne contribue à limiter la mobilité despersonnes âgées et les rend plus fragilesen cas de stress nutritionnel, trauma-tique ou infectieux. Les mitochondriespourraient jouer un rôle crucial dans cephénomène. En effet, ces organites sontau cœur de la théorie radicalaire danslaquelle le vieillissement d’un organis-me est expliqué par l’accumulation dedommages oxydatifs (Harman 1956).Les mitochondries constituent en effetune source importante de radicaux li-bres (O2

.-, H2O2) qui peuvent diffuserdans la cellule s’ils ne sont pas détoxi-fiés (figure 7) et provoquer des altéra-tions cellulaires et mitochondrialesau niveau de l’ADN, des membranes,ou des protéines. L’apparition d’undéséquilibre entre la détoxification et laproduction mitochondriale de radicauxlibres (PMRL) avec l’âge dans le mus-cle pourrait donc jouer un rôle dans ledéveloppement de la fonte musculaire,soit en induisant des dysfonctionne-ments mitochondriaux capables delimiter l’approvisionnement en énergiede la cellule, soit en perturbant la fonc-tionnalité cellulaire, en particulier viaune stimulation de la protéolyse aprèsoxydation des protéines musculaires.

Une augmentation de la PMRL avecl’âge peut notamment provenir d’unerupture de l’homéostasie calcique. Eneffet, au cours du vieillissement, lateneur en calcium cytosolique muscu-laire risque d’augmenter car l’activitédes pompes captant le calcium au coursde la relaxation musculaire diminue(Viner et al 1999) ; de plus, l’insulino-résistance, fréquente au cours duvieillissement, s’accompagne égale-ment d’une augmentation du calciumcytosolique. Or, les mitochondries cap-tent les excès physiologiques ou patho-logiques de calcium et l’on sait que lecalcium stimule la PMRL en induisantun réarrangement de la membrane

Tableau 3. Synthèse sur les facteurs de variation de l'expression des UCPs dans lemuscle de poulet (av UCP) et de porc (UCP2 et UCP3).

mitochondriale après interaction avecla cardiolipine (Grijalba et al 1999).

Nous avons donc mesuré l’évolutionavec l’âge de la PMRL dans le muscle,étudié l’effet du calcium, et analysél’impact de ces phénomènes : 1) sur lesdommages affectant les mitochondriesau cours du vieillissement ; 2) sur l’évolution avec l’âge du fonctionne-ment mitochondrial.

4.2 / Evolution de la productionmitochondriale de radicauxlibres par les mitochondries aucours du vieillissement

a) Production basale Chez le rat, la production mitochon-

driale d'H2O2 évaluée en utilisant dessubstrats des complexes I ou II n'évoluepas entre 4,5 et 24 mois dans un muscleglycolytique ; cette production est parcontre augmentée, avec des substrats ducomplexe I, dans un muscle oxydatifchez les rats âgés (Capel et al 2004).Parallèlement, des mesures effectuéessur un homogénat musculaire fortementappauvri en mitochondries suggèrentque la production extra mitochondrialed’H2O2 augmente également avec l’âge.

Chez l'homme, dans un muscle gly-colytique (vastus lateralis), la produc-tion mitochondriale d'H2O2 (en présen-ce de substrats des complexes I et II)augmente avec l'âge. En fait, les don-nées bibliographiques démontrentl’existence d’un flux «inverse» d’élec-

trons en présence de substrats à FADH2(comme le succinate) entre les com-plexes II et I de la chaîne respiratoire,qui peut induire, comme le flux «nor-mal», la formation d’anion superoxydeau niveau du complexe I (Liu et al2002). Nous montrons ici que seule laproduction d’H202 liée au flux «inver-se» d'électrons entre les complexes II etI augmente avec l’âge tandis que celleinduite par le flux «normal» reste stable(Capel et al 2005b). De plus, la ré-duction de l’activité GlutathionPeroxydase (GPX) observée dans lesmuscles glycolytiques pourrait aggra-ver ce phénomène. Dans les musclesoxydatifs, la production mitochondrialed'H2O2 induite par le flux «normal»augmente avec l'âge mais il est possiblequ'elle soit également accrue par d'au-tres voies. Nous montrons ainsi que laPMRL est accrue chez l’homme âgédans tous les types musculaires.

b) Effet du calciumL’impact d’un stress calcique sur la

PMRL musculaire chez des rats adultes(6 mois) et âgés (21 mois) a été mesuréin vitro, sur mitochondries isolées, et invivo, grâce à un modèle basé sur le trai-tement de rats avec un ionophore cal-cique, le A23187, qui induit un affluxde calcium dans le cytosol et les mito-chondries (Capel et al 2005a).

In vitro, lorsque l’on incube les orga-nites isolés à partir de muscles gastroc-némiens de ces rats adulte et âgés enprésence de concentrations croissantesen calcium libre, ce calcium est immé-

diatement capté par les mitochondries,mais les doses employées n’induisentpas de phénomène de transition de per-méabilité (vérification à l’aide d’unesonde fluorescente). En présence deglutamate (état 2), la PMRL est forte-ment accrue (+ 146 %) lorsque laconcentration en calcium libre dumilieu passe de 2,7 à 19 µM. Levieillissement musculaire amplifienotablement le phénomène (+ 59 %).

In vivo, le ionophore n’a aucun effetmesurable sur la concentration mito-chondriale en calcium chez les rats adul-tes et l’augmente modérément chez lesrats âgés. Ainsi, l'activité ICDH, mar-queur de la concentration mitochondria-le en Ca2+, mesurée 24 h après l’injec-tion, a été augmentée de 40 % dans lesmitochondries de tous les animaux âgéstraités. Cette augmentation n'est pas liéeà un accroissement global du métabolis-me mitochondrial puisque les activitésCS et COX restent stables ; elle reflètedonc probablement une augmentation dela concentration mitochondriale en cal-cium. Dans ces conditions, le calciumaugmente la PMRL musculaire. Nousobservons également une corrélationinverse entre les teneurs mitochondria-les en calcium à l’état basal et le poidsdes muscles suggérant un rôle du cal-cium dans la perte musculaire associée àl’âge. Enfin, le traitement au A23187semble provoquer la dégénérescenced’une partie des mitochondries (activitéCS réduit de 50 %) mais sur 24 ou 48 h,la masse musculaire demeure inchangée(Capel et al 2005a).

Les rats âgés sont donc plus sensiblesau stress calcique que les rats adultes.Cet accroissement du pool de calciummitochondrial musculaire a induit uneaugmentation de la PMRL ; de plus, invitro, cette augmentation a été plusmarquée pour les mitochondries desrats âgés. Ce phénomène pourrait doncinitier un processus de transition deperméabilité membranaire conduisant àla mort cellulaire (Lemasters et al1998). Une revue plus détaillée sur laproduction mitochondriale de radicauxlibres dans le muscle et son évolutionavec l’âge est jointe à ce dossier (Capelet al 2006).

4.3 / Conséquences de l’augmen-tation avec l’âge de la produc-tion de radicaux libres sur lesaltérations mitochondrialesdans le muscle

Nous avons évalué les altérations dugénome mitochondrial en mesurantl’évolution du nombre de copies de



Figure 7. Production et détoxification des radicaux libres par les mitochondries.Les mitochondries produisent l'anion superoxyde qui est détoxifié in situ par la super-oxyde dismutase en H2O2 évitant ainsi la formation de peroxynitrite. L' H2O2 est trans-formé en eau par la glutathion peroxidase (GPX) ou diffuse à travers la membrane mito-chondriale et peut être détoxifié au niveau du cytosol par la catalase.

l’ADNmt par rapport à l’ADN nucléaire(Chabi et al 2005). Le nombre de copiesde 4 fragments de gènes mitochondriaux(gènes de 2 sous unités du complexe I,de l’ARN ribosomique 16S et d’unesous unité du complexe V) a été déter-miné par PCR quantitative en temps réel(Chabi et al 2003) dans des biopsiesmusculaires de 22 sujets âgés de 14 à87 ans, et rapporté à celui d’un gènenucléaire codant une sous unité du com-plexe V à copie unique. Ces rapports ontété très variables chez les 22 sujets étu-diés, indépendamment de l’âge. Des étu-des complémentaires ont montré que les4 fragments d’ADNmt amplifiés étaientreprésentés avec un nombre de copiestrès voisin, indiquant qu’aucune zone decet ADNmt n’était particulièrementsujette à délétion au cours du vieillisse-ment. La quantification de la quantitétotale d’ADNmt et des proportionsd’ADNmt délété (ensemble des frag-ments < 16,6 kb) et non délété (16,6 kb)chez chacun des 22 sujets a confirmé cerésultat. Contrairement à d’autresauteurs, nous n’observons pas d’accu-mulation de délétions de l’ADNmt aucours du vieillissement avant un âge trèsavancé (pas avant 80 ans) ; mais dans cecas, elles peuvent atteindre plus de 60 à80 % de l’ADNmt cellulaire. La présen-ce de multiples délétions a pu être véri-fiée par un «screening PCR» chez lessujets de plus de 80 ans (analyse réaliséeen collaboration avec les HospicesCivils de Lyon). Ces résultats ont été trèsrécemment confirmé par plusieurs tra-vaux (Mao et al 2006, Trifunovic 2006)

La mesure de la teneur en dérivéscarbonylés des protéines mitochondria-les de muscles de rats jeunes et âgésmontre que le degré d’oxydation de cesprotéines n’est pas modifié avec l’âge.

4.4 / Conséquences de l’augmen-tation avec l’âge de la produc-tion de radicaux libres sur lefonctionnement mitochondrialmusculaire des sujets âgés

a) Effet sur le fonctionnement mito-chondrial

L’expression des gènes mitochon-driaux présents dans le génomenucléaire (CS et sous-unité 4 de laCOX) ou mitochondrial (sous-unité IIIde la COX) ne diffère pas dans le mus-cle de sujets jeunes et âgés. Ainsi, labaisse d’activité CS observée au coursdu vieillissement ne s’explique pas parune diminution de l’expression dugène. De plus, une étude exploratoiremenée à l’aide de puces à ADN muscu-laires confirme l’absence de variations

significatives d’expression des trans-crits selon l’âge des sujets. De même, lamesure de différentes activités enzyma-tiques sur biopsies musculaires humai-nes (Chabi et al 2003) et musclesentiers de rat (tableau 4), montre quedans la plupart des cas l’activité enzy-matique est maintenue au cours duvieillissement. Les résultats concernantl’activité du complexe IV sont plus dis-cordants, mais montrent une tendanceà un maintien de l’activité avecl’âge. Seule l’activité de la CS diminueau cours du vieillissement, ce qui pour-rait également indiquer une diminutiondu nombre de mitochondries avecl’âge.

L’évolution de l’activité mitochon-driale et de l’oxydation des acides grasva dans le même sens. La respirationmesurée à l’aide de plusieurs substratsdans différents muscles chez le rat(tableau 5) varie peu avec l’âge. Seulel’oxydation d’un substrat d’origine glu-

cidique (le pyruvate) diminue avec levieillissement (- 22 %). L’oxydation de[1-14C]-palmitate par les mitochondriesmusculaires a été mesurée chez deshommes jeunes et âgés, sédentaires ouentraînés. Cette oxydation est inchan-gée avec l’âge, mais se révèle beaucoupplus élevée chez les sujets entraînésquel que soit l’âge. De plus, nous avonsanalysé les relations entre niveau d’ac-tivité physique et capacité d’oxydationdes acides gras chez des sujets âgés(65,3 ± 3,4 ans). La capacité d’oxyda-tion des acides gras était significative-ment plus élevée chez les personnesâgées pratiquant plus de 25 mn par jourd’activités sportives à une intensitésupérieure à 60 % de la consommationmaximale d’oxygène (Rimbert et al2004).

Le renouvellement des protéinesmitochondriales a été déterminé enmesurant l'incorporation (taux de syn-thèse) de 13C-Leucine perfusée par



Tableau 4. Evolution avec l'âge des activités enzymatiques mitochondriales dans lemuscle chez le rat et chez l'homme.

Complexe II = succinate-ubiquinone reductase ou succinate deshydrogénase ; complexe III = ubi-quinol-cytochrome reductase ; complexe IV = cytochrome-c oxydase ; CPT1 = carnitine palmitoyl-transferase 1 ; HAD = ß-Hydroxy-acyl-CoA Déshydrogénase.* = mesuré sur mitochondries isolées.

Tableau 5. Evolution avec l'âge de la respiration mitochondriale mesurée en présencede différents substrats sur mitochondries isolées de muscles de rats Wistar.

* : Avec ou sans ADP.

voie intraveineuse dans des biopsiesmusculaires de sujets jeunes et âgés(25 ± 1 vs 72 ± 2 ans) en situationbasale (à jeun) et lors d’une perfusionsimultanée d’insuline et d’acides ami-nés. A jeun, une réduction des taux desynthèse des protéines mitochondria-les est observée chez les sujets âgés.L’administration d’insuline et d’acidesaminés s’accompagne d’une stimula-tion de la synthèse des protéines mito-chondriales dans les deux groupes desujets. Par contre, la réponse de la syn-thèse des protéines mitochondriales àces deux facteurs est plus faible chezles sujets âgés, et ceci d’autant plusque les sujets âgés sont résistants àl’insuline. Ainsi, le renouvellementdes protéines mitochondriales estaffecté par l’âge, cependant, ces alté-rations semblent être étroitement liéesà l’insulino-résistance apparaissantfréquemment avec l’âge (Guillet et al2004).

b) Effet sur la sénescence cellulaireD’une façon générale, le vieillisse-

ment des cellules en culture primairese caractérise notamment par unediminution du nombre de divisionspossibles en fonction de l’âge du don-neur. Ainsi, pour des lignées de myo-blastes issus de biopsies musculaires,le nombre de divisions possibles est del’ordre d’une quarantaine chez lessujets jeunes et d’une dizaine seule-ment chez les sujets âgés. Il est possi-ble de penser que les taux de mutationde l’ADNmt restent inchangés. Pourvérifier cette hypothèse, nous avonsobtenu des cybrides par fusion entredes lignées cellulaires d’hépatocarci-nome sans ADNmt (HepG2 rho°) etdes lignées de myoblastes issus desujets jeunes ou âgés. Ainsi, un mêmegénome nucléaire (celui des cellulesHepG2 rho°) était associé à des mito-chondries de sujets jeunes ou âgés.Aucune différence significative dunombre maximum de divisions n’a étémise en évidence entre les deux typesde lignées cybrides. Ceci indique quel’activité des mitochondries musculai-res de personnes jeunes et âgées n’estpas à l’origine de la différence de sur-vie cellulaire (Stépien et al nonpublié).

c) Effet sur la sensibilité au calcium Les mitochondries peuvent tampon-

ner l’excès cytosolique de calcium jus-qu’à un seuil à partir duquel un phéno-mène de transition de perméabilité estinduit, provoquant notamment une libé-ration massive du calcium matricieldans le cytosol. Avant cet événement, le

fonctionnement mitochondrial estnéanmoins perturbé (Martin et alaccepté pour publication). Ainsi, quelque soit le substrat employé (glutamateou pyruvate), l’augmentation du cal-cium dans la matrice mitochondriale setraduit par une diminution de l’état IIIrespiratoire (- 36 à - 50 %) et du rapportADP/O (- 25 à - 36 %). La simultanéi-té des deux phénomènes suggère uneforte diminution de la productiond’ATP. Le vieillissement amplifie ceteffet du calcium sur la respiration mito-chondriale (diminution de 30 % de l’é-tat III et de 19 % du rapport ADP/Oavec le glutamate). Ainsi, lorsque laconcentration en calcium libre s’élèveanormalement dans le muscle, la pro-duction mitochondriale d’énergie dimi-nue plus chez les animaux âgés. Laquantité minimale de calcium nécessai-re pour le déclenchement du phénomè-ne de transition de perméabilité, indica-teur de la capacité de rétention calciquedes mitochondries, n’est pas altérée parla sénescence lors de l’oxydation duglutamate à l’état II. En revanche, enprésence de pyruvate, elle est diminuée(35 %) chez les rats âgés. Or, ce phéno-mène est synonyme de gonflementmitochondrial, de rupture de la mem-brane externe et de libération de cyto-chrome c ; ainsi, en cas de stress cal-cique, les mitochondries musculairesdes rats âgés présentent une plus gran-de susceptibilité à l’induction de lamort cellulaire (via une ouverture faci-litée du pore de transition de perméabi-lité sous l’effet du calcium) (Martin etal soumis).

4.5 / ConclusionLes mitochondries musculaires pro-

duisent plus de radicaux libres aucours du vieillissement, selon desmécanismes différents dans les mus-cles glycolytiques et oxydatifs. Labaisse de l’activité GPX et l’augmen-tation de la production de radicaux li-bres extra mitochondriaux pourraientégalement contribuer à l’apparitiond’un stress oxydant plus marqué aucours du vieillissement. De plus, lacapacité de rétention calcique desmitochondries diminue, et lorsque lecalcium mitochondrial augmente, laPMRL augmente plus chez les sujetsâgés.

Malgré cette production accrue deradicaux libres, sur une population res-treinte, nous n’observons pas d’accu-mulation d’ADNmt au cours duvieillissement ni de délétions del’ADNmt avant un âge très avancé(après 80 ans). De plus, le fonctionne-ment mitochondrial reste relativement

bien préservé. Ainsi, mis à part la citra-te synthase, les activités enzymatiquesse maintiennent avec l’âge, l’expres-sion des gènes testés reste stable, larespiration mitochondriale est inchan-gée (sauf en présence de pyruvate), demême que l’oxydation des acides gras.Un modèle d’analyse du fonctionne-ment mitochondrial sur cybridesindique également un fonctionnementnormal. Ainsi, même si certains de cesrésultats doivent être précisés, les effetsdélétères du stress oxydant ne semblents’exprimer que dans le grand âge (après80 ans).

Conclusions générales

Nous apportons un certain nombre derésultats originaux qui constituent unecontribution significative à la connais-sance de l’importance physiologiquedes mitochondries, en particulier auniveau du développement, de l’activitéet du vieillissement musculaire.

La relation entre activité mitochon-driale et développement musculaire aété confirmée et certains de ses méca-nismes élucidés. Ainsi, au-delà de larelation entre métabolisme oxydatif,densité mitochondriale et type contrac-tile des fibres, nous montrons que lescaractéristiques intrinsèques des orga-nites diffèrent entre fonction des isofor-mes de myosine présentes. Les diffé-rences observées sont en parfait accordavec l’inhibition de l’activité respira-toire mitochondriale dans les fibresrapides au repos, tandis que les fibresIIA, bien que classées actuellementparmi les rapides, ont un fonctionne-ment mitochondrial très proche des fi-bres lentes. Certains de ces mécanismessont mis en place très précocement, surfibres primaires. De plus, bien que ladifférenciation contractile et métabo-lique des fibres musculaires s’effectuede manière parallèle, il semble que ladensité mitochondriale diffère déjàdans les fibres primaires de muscleslent ou rapide, avant la mise en place del’expression des myosines adultes. Or,les travaux réalisés in vitro sur myo-blastes aviaires et murins montrent quel’activité mitochondriale, via le contrô-le de l’expression de Calcineurine,constitue un déterminant majeur dutype de myosine exprimée. Ces don-nées sont confortées in vivo par l’obten-tion de souris surexpriment un récep-teur mitochondrial de la T3 (p43) dansle muscle squelettique ; en effet lepourcentage de fibres exprimant lesmyosines lentes et IIA dans le muscleGastrocnemius (oxydoglycolytique) de



ces animaux augmente fortement audétriment des fibres plus rapides. Ainsi,la nature des mitochondries et leur acti-vité participent directement à la défini-tion du type contractile des fibres mus-culaires. En dehors de leur intérêtfondamental, ces données sont impor-tantes sur un plan agronomique dans lamesure où la biogenèse mitochondrialeest notamment régulée par des facteursd’élevage tels que l’alimentation oul’exercice. Par ailleurs, les travaux invitro ont permis d’établir que l’activitémitochondriale est également un régu-lateur important de la différenciationdes myoblastes via le dialogue mito-chondries-noyau dont la signalisationreste à mieux définir. En effet, parmiles gènes cibles de l’organite, trois sontà considérer comme des régulateursmajeurs de la différenciation musculai-re : c-Myc (répresseur), Calcineurineet myogénine (stimulateurs).

Chez le bovin comme chez le porc,les mitochondries musculaires sontrelativement immatures jusqu’aux deuxtiers de la gestation ; l’augmentationprécise de leur activité survient parallè-lement à l’augmentation des concentra-tions circulantes de T3 chez le fœtus.Ces données suggérant une influencedes hormones thyroïdiennes sur la bio-genèse mitochondriale, sont en accordavec la démonstration in vivo (sourissurexpriment la p43) et in vitro de l’im-portance de la voie d’action mitochon-driale de la T3 pour la régulation de lamitochondriogenèse et de l’activité del’organite.

Par contre, les résultats concernantles relations entre la quantité de lipidesintramusculaires, un déterminantimportant de la qualité des viandes, etl’activité mitochondriale, n’ont pas per-mis de mettre en évidence une associa-tion très claire entre ces deux para-mètres. Certes, l’exploitation de lavariabilité de la teneur en LIM entremuscles, entre génotypes ou en fonc-tion de l’âge montre que les muscles lesplus riches en LIM sont généralementcaractérisés par une activité oxydativeet une activité CPT1 plus importante.Mais ces relations ne sont pas exclusi-ves et des corrélations positives sontaussi trouvées avec le potentiel de syn-thèse et de transport des acides gras ;en d’autres termes, la teneur en LIM estdavantage corrélée avec l’importancedes flux de lipides dans le musclequ’avec une voie métabolique particu-lière. En revanche, lorsqu’une sélec-tion génétique est appliquée spécifique-ment sur la teneur en LIM, avec lacréation d’une génération F2 de porcs

LW x Duroc présentant des teneurs éle-vées ou faibles en LIM, les différencesde potentiel d’oxydation mitochondrialdes acides gras ne sont pas significati-ves et aucune différence dans l’expres-sion des isoformes musculaires et hépa-tiques de la CPT1 n'est observée. Dansce cas, les meilleures corrélations sontobservées entre la teneur en LIM, l’ex-pression de la FABP-A et le nom-bre d’adipocytes intramusculaires.L’utilisation de manipulations alimen-taires ou de conditions d’élevage modi-fiant l’activité physique des animauxfragilise encore davantage ce lienhypothétique entre activité oxydativemitochondriale et accumulation desLIM puisque les variations de ces deuxparamètres ne sont que rarement corré-lées chez le bovin, le mini-porc ou latruite. Ainsi, l’activité mitochondrialene semble pas être un déterminantmajeur de l’accumulation des LIM, quiparait dépendre davantage du turnoverlipidique et de paramètres non mito-chondriaux tels que la FABP-A, mar-queur probable de la densité des adipo-cytes dans le muscle.

Les travaux concernant l’implicationdes UCPs dans le contrôle du métabo-lisme énergétique et lipidique muscu-laire ont porté essentiellement sur desespèces dépourvues de tissu adipeuxbrun. Ce choix s’est révélé judicieuxpuisque UCP2, UCP3 (chez le porc) etavUCP (chez le poulet) sont expriméeset régulées de façon différentielle.Alors que l’UCP3 est induite dans lemuscle à la naissance, l’expressiond’UCP2 est détectée dans les myotubesprimaires dès le stade foetal.L’expression préférentielle des UCP2et UCP3 dans les muscles glycoly-tiques n’a pas été retrouvée chez le porcadulte alors qu’à contrario, chez lePoulet, avUCP aviaire est plus abon-dante dans les muscles mixtes.Contrairement à UCP2, UCP3 etavUCPs sont des effecteurs importantsde l’effet thermogénique de la T3 etpourraient jouer un rôle clé dans lecontrôle du métabolisme basal. Cemécanisme a été élucidé puisque la sti-mulation de l’expression d’UCP3, spé-cifique au muscle glycolytique, s’ac-compagne d’une augmentation de larespiration mitochondriale et des fuitesde protons. Par ailleurs, avUCP pour-rait être un régulateur métaboliquemajeur chez le poulet puisque sonexpression est accrue lors d’une expo-sition au froid, diminuée lors d’uneexposition à la chaleur, et qu’ellerépond aux variations de l’intensité dumétabolisme lipidique musculaire. Cesdonnées démontrent donc que l’expres-

sion des UCPs étudiées est régulée demanière différentielle mais il reste dif-ficile de conclure sur leur rôle physio-logique dans le muscle. La réponse del’UCP aviaire à des modifications del’environnement thermique, et sa forterégulation par la T3 l’impliquent proba-blement dans la régulation de lathermogenèse. Ceci est sans doute vrai,dans une moindre mesure, pourl’UCP3, moins étroitement régulée parla T3. Par contre, l’implication de cesUCPs dans le métabolisme lipidiquereste à préciser, notamment pourl’UCP2 et l’UCP aviaire.

Les travaux concernant l’activitémitochondriale en relation avec levieillissement ont produit un certainnombre de résultats divergents par rap-port à la littérature. En effet, sur unepopulation de 22 sujets, il n’a pas étépossible de mettre en évidence uneaccumulation de délétions de l’ADNmitochondrial avant un âge très avancé.De même, l’expression de gènes mito-chondriaux ou nucléaires codant desprotéines à localisation mitochondrialen’est pas altérée avec l’âge, et l’activitéde différentes enzymes est maintenue.Seule l’oxydation du pyruvate diminueavec l’âge. Les études in vitro réaliséessur cybrides provenant de la fusion defibroblastes de personnes jeunes ouâgées avec des cellules HepG2 rho(dépourvues de mitochondries), mon-trent également que la sénescence detelles cellules, estimée par le nombre dedivisions cellulaires après mise en cul-ture, n’est pas modifiée par la présencede mitochondries musculaires de sujets«jeunes» ou «âgés».

Pourtant, chez l’Homme, la produc-tion d’H2O2 augmente avec l’âge dansles muscles oxydatifs et glycolytiques.L’origine de cette évolution est cepen-dant différente selon le type de muscle(glycolytique : flux inverse d’électronsentre les complexes I et II ; oxydatif :flux normal d’électrons). Les consé-quences de ces modifications sont parailleurs renforcées par une augmenta-tion de la production de H2O2 nonmitochondriale et une diminution del’activité de la GPX, enzyme de détoxi-fication des radicaux libres. De plus, laproduction mitochondriale de radicauxlibres est accrue en présence de quanti-tés croissantes de calcium, et devientplus importante dans les mitochondriesde rats âgés. Enfin, le vieillissementaccroît la sensibilité de la respirationmitochondriale et du rapport ADP/O aucalcium et la sensibilité à l’apoptoseinduite par le calcium semble plusimportante chez les rats âgés.



Ainsi, si des altérations de l’ADNmitochondrial peuvent induire unvieillissement accéléré (Trifunovic et al2004), il semble qu’une accumulationde délétions dans ce génome avec l’âge

associée à une altération de l’activité del’organite ne puisse être considéréecomme une généralité. En revanche,l’augmentation de la production deradicaux libres au cours du vieillisse-

ment et la modification de la sensibilitéau calcium sont susceptibles de partici-per à l’induction «facilitée» d’une mortcellulaire.



Références

Alami-Durante H., Wrutniak Cabello C.,Médale F., Rouel M., Rescan P.Y., Kaushik S.,2002. Nutritional regulation of trout skeletalmuscle fibre size distribution and myosin heavychain (MHC) expression by dietary proteins. In:Proceedings of the X Int. Fish Nut. Symp., 2-7Juin 2002, Rhodes, Grèce, 199.

Bahi L, Garnier A, Fortin D, Serrurier B,Veksler V, Bigard AX, Ventura-Clapier R., 2005.Differential effects of thyroid hormones on ener-gy metabolism of rat slow- and fast-twitch mus-cles. J. Cell Physiol., 203, 589-598.

Barnola I., Hocquette J.F., Cassar-Malek I., JurieC., Gentès G., Cabaraux J.F., Cuvelier C., IstasseL., Dufrasne I., 2005. Adipocyte fatty acid-bindingprotein expression and mitochon-drial activity asindicators of intramuscular fat content in youngbulls. In: Indicators of milk and beef quality, J.F.Hocquette, S. Gigli (Eds), EAAP Publication 112,Wageningen Academic Publishers, Wageningen,The Netherlands, 419-424.

Bouharaoua L., Barnola I., Jadhao S.B.,Durand D., Bauchart D., Hocquette J.F., 2001.Influence de l’apport de l’huile de tournesol oude lin sur le métabolisme musculaire chez lebouvillon en croissance. Congrès communAFERO, AFN et SNDLF Nutrition et Obésité2001, 29-30 novembre 2001, Paris, France,Poster 86.

Brennan K.J., Hardeman E.C., 1993.Quantitative analysis of the human alpha-skele-tal actin gene in transgenic mice. J. Biol. Chem.,268, 719-725.

Brun S., Carmona M.C., Mampel T., Vinas O.,Giralt M., Iglesias R., Villarroya F., 1999.Uncoupling protein-3 gene expression in skeletalmuscle during development is regulated bynutritional factors that alter circulating non-este-rified fatty acids. FEBS Lett., 453, 205-209.

Bultot D., Dufrasne I., Istasse L., Jurie C.,Hocquette J.F., 2002. Mise en évidence de fac-teurs métaboliques responsables du goût de laviande de bœuf : comparaison de races et derégimes. Renc. Rech. Rum., 9, 264.

Capel F., Buffière C., Patureau Mirand P.,Mosoni L., 2004. Differential variation of mito-chondrial H2O2 release during aging in oxidati-ve and glycolytic muscles in rats. Mech. AgeingDev., 125, 367-373.

Capel F., Demaison L., Maskouri F., Diot A.,Buffière C., Patureau Mirand P., Mosoni L.,2005a. Calcium overload increases oxidativestress in old rat gastrocnemius muscle. J.Physiol. Pharmacol., 56, 369-380.

Capel F., Rimbert V., Lioger D., Diot A.,Rousset P., Patureau Mirand P., Boirie Y., MorioB., Mosoni L., 2005b. Due to reverse electrontransfer, mitochondrial H(2)O(2) release increa-ses with age in human vastus lateralis musclealthough oxidative capacity is preserved. Mech.Ageing Dev., 126, 505-511.

Capel F., Demaison L., Morio B., Rimbert V.,Patureau Mirand P., Mosoni L., 2006. Rôle des

mitochondries dans le développement d'un stressoxydant dans le muscle squelettique au cours duvieillissement. INRA Prod. Anim., 19(4), 305-318.

Casas F., Rochard P., Rodier A., Cassar-MalekI., Marchal-Victorion S., Wiesner R.J., CabelloG., Wrutniak C., 1999. A variant form of thenuclear T3 receptor c-Erb Aα1 plays a direct rolein regulation of mitochondrial RNA synthesis.Mol. Cell. Biol., 19, 7913-7924.

Casas F., Pessemesse L., Grandemange S.,Seyer P., Gueguen N., Lepourry L., Wrutniak-Cabello C., Cabello G., 2006. Involvement of thedirect T3 mitochondrial pathway in mouse mus-cle development. 31st Meeting of the EuropeanThyroid Association, 2-6 sept. 2006, Naples,Italie, (sous presse).

Cassar-Malek I., Picard B., Kahl S., HocquetteJ.F., 2006. Relationships between thyroid status,tissue oxidative metabolism, and muscle diffe-rentiation in bovine foetuses. Domest. Anim.Endocrinol., 19, (sous presse).

Cassy S., Collin A., Chartrin P., Baéza E., JégoY., 2005. Métabolisme oxydatif des acides graset efficacité alimentaire chez le poulet.6èmes Journ. Rech. Avicole, 6, 325-329.

Chabi B., Mousson De Camaret B., DuborjalH., Issartel J.P., Stepien G., 2003. Quantificationof mitochondrial DNA deletion, depletion andover-replication: application to the diagnosis.Clin. Chem., 49, 1309-1317.

Chabi B., Mousson De Camaret B.,Chevrollier A., Boisgard S., Stepien G., 2005.Random mitochondrial DNA deletions and phe-notypic consequence in aged human skeletalmuscle. Biochem. Biophys. Res. Commun.,332, 542-549.

Chin E.R., Olson E.N., Richardson J.A., YangQ., Humphries C., Shelton J.M., Wu H., Zhu W.,Bassel-Duby R., Williams R.S., 1998. A cal-cineurin-dependent transcriptional pathway con-trols skeletal muscle fiber type. Genes Dev., 12,2499-2509.

Collin A., Buyse J., Van As P., Darras V.M.,Malheiros R.D., Moraes V.M.B., Reyns G.E.,Taouis M., Decuypere E., 2003a. Cold-inducedenhancement of avian uncoupling proteinexpression, heat production, and triiodothyro-nine concentrations in broiler chicks. Gen.Comp. Endocrinol., 130, 70-77.

Collin A., Taouis M., Buyse J., Ifuta N.B.,Darras V.M., Van As P., Malheiros R.D., MoraesV.M., Decuypere E., 2003b. Thyroid status, butnot insulin status, affects expression ofavian uncoupling protein mRNA in chicken. Am.J. Physiol. Endocrinol. Metab., 284, E771-E777.

Collin A., Cassy S., Buyse J., Decuypere E.,Damon M., 2005. Potential involvement ofmammalian and avian uncoupling proteins in thethermogenic effect of thyroid hormones.Domest. Anim. Endocrinol., 29, 78-87.

Crescenzi M., Crouch D.H., Tato F., 1994.Transformation by myc prevents fusion but notbiochemical differentiation of C2C12 myoblasts:mechanisms of phenotypic correction in mixedculture with normal cells. J. Cell. Biol., 125,1137-1145.

Damon M., Collin A., 2006. Quel est le rôledes protéines découplantes mitochondriales chezles mammifères et les oiseaux ? INRA Prod.Anim., 19(4), 287-304.

Damon M., Vincent A., Lombardi A., HerpinP., 2000. First evidence of uncoupling protein-2(UCP-2) and -3 (UCP-3) gene expression inpiglet skeletal muscle and adipose tissue. Gene,246, 133-141.

Damon M., Gondret F., Louveau I., Lebret B.,Lefaucheur L., Mourot J., Vincent A., CaritezJ.C., Le Roy P., Herpin P. 2002. Comparaison deporcs présentant des teneurs extrêmes en lipidesdans le muscle longissimus. 2- Capacités de stoc-kage et d'utilisation des lipides intramusculaires.In : C.R. IXèmes Journ. Sciences du Muscle etTechnologies de la Viande, INRA, CTSCCV(Eds). Clermont-Ferrand, France, 167-168.

Damon M., Oswald I., Luron I., Hatey F.,2003. Apport des nouveaux outils de la post-génomique aux recherches en physiologie chezle porc. Journ. Rech. Porcine Fr., Paris, France,35, 339-354.

Damon M., Louveau I., Lefaucheur L., LebretB., Vincent A., Leroy P., Sanchez M.P., HerpinP., Gondret F., 2006. Number of intramuscularadipocytes and fatty acid binding protein 4 con-tent are significant indicators of intramuscularfat level in crossbred Large White X Duroc pig.J. Anim. Sci., 84, 1083-1092.

De Lange P., Lanni A., Beneduce L., MorenM., Lombard A., Silvestri E., Goglia F., 2001.Uncoupling protein-3 is a molecular determinantfor the regulation of resting metabolic rate bythyroid hormone. Endocrinol., 142, 3414-3420.

Delling U., Tureckova J., Lim H.W., De WindtL.J., Rotwein P., Molkentin J.D., 2000. A cal-cineurin-NFATc3-dependent pathway regulatesskeletal muscle differentiation and slow myosinheavy-chain expression. Mol. Cell. Biol., 20,6600-6611.

Dulloo A.G., Seydoux J., Jacquet J., 2004.Adaptive thermogenesis and uncoupling pro-teins: a reappraisal of their roles in fat metabo-lism and energy balance. Physiol. Behav., 83,587-602.

Friday B.B., Horsley V., Pavlath G.K., 2000.Calcineurin activity is required for the initiationof skeletal muscle differentiation. J. Cell. Biol.,149, 657-666.

Gondret F., Hocquette J.F., Herpin P., 2004.Age-related relationships between muscle fatcontent and metabolic traits in growing rabbits.Reprod. Nutr. Dev., 44, 1-16.

Grijalba M.T., Vercesi A.E., Schreier S., 1999.Ca2+-induced increased lipid packing and



domain formation in submitochondrial particles.A possible early step in the mechanism of Ca2+-stimulated generation of reactive oxygen speciesby the respiratory chain. Biochem., 38, 13279-13287.

Grolli S., Accornero P., Ramoni R., DonofrioG., Whitelaw C.B., 1997. Expression of c-Myc isdown-regulated as mouse mammary epithelialcells become confluent. Biochem. Biophys. Res.Commun., 239, 566-569.

Gueguen N., Lefaucheur L., Fillaut M.,Vincent A., Herpin P., 2005a. Control of skeletalmuscle mitochondria respiration by adeninenucleotides: differential effect of ADP and ATPaccording to muscle contractile type in pigs.Comp. Biochem. Physiol., 140B, 287-297.

Gueguen N., Lefaucheur L., Fillaut M.,Herpin P., 2005b. Muscle fiber contractile typeinfluences the regulation of mitochondrial func-tion. Mol. Cell. Biochem., 276, 15-20.

Gueguen N., Lefaucheur L., Ecolan P., FillautM., Herpin P., 2005c. Ca2+-activated myosin-ATPases, creatine and adenylate kinases regulatemitochondrial function according to myofibretype. J. Physiol. (London), 564(3), 723-735.

Gueguen N., Lefaucheur L., Herpin P., 2006.Relations entre fonctionnement mitochondrial ettype contractile des fibres musculaires. INRAProd. Anim., 19(4), 265-278.

Guillerm-Regost C., Louveau I., Sébert S.P.,Damon M., Champ M.M., Gondret F. 2006.Cellular and biochemical features of skeletalmuscle in obese Yucatan minipigs. Obesity (souspresse).

Guillet C., Prod'homme M., Balage M.,Gachon P., Giraudet C., Morin L., Grizard J.,Boirie Y., 2004. Impaired anabolic response ofmuscle protein synthesis is associated with S6K1dysregulation in elderly humans. FASEB J.,18(13), 1586-1587.

Gutières S., 2003. Régulation nutritionnelle dela carnitine palmitoyl transferase I chez la truitearc-en-ciel. Thèse Sciences des Aliments etNutrition. Univ. Bordeaux 1, 141p.

Gutières S., Damon M., Panserat S., KaushikS., Medale F., 2003. Cloning and tissue distribu-tion of a carnitine palmitoyltransferase I gene inrainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Comp.Biochem. Physiol., ser. B Biochem. Mol. Biol.,135, 139-151.

Harman D., 1956 Aging: a theory based onfree radical and radiation chemistry. J.Gerontol.,11, 298-300.

Henriksson M., Luscher B., 1996. Proteins ofthe Myc network: essential regulators of cellgrowth and differentiation. Adv. Cancer Res., 68,109-182.

Herpin P., Vincent A., Fillaut M., Bonito B.,Hocquette J.F., 2003. Mitochondrial and peroxi-somal β-oxidation capacities increase in theskeletal muscles of young pigs during early post-natal development but are not affected by coldstress. Reprod. Nutr. Dev., 43, 155-166.

Herpin P., Vincent A., Damon M., 2004. Effectof breed and body weight on thermoregulatoryabilities of European (Piétrain (Landrace x LargeWhite)) and Chinese (Meishan) piglets at birth.Livest. Prod. Sci., 88, 17-26.

Hesselink M.K., Mensink M., Schrauwen P.,2003. Human uncoupling protein-3 and obesity:an update. Obes. Res., 11, 1429-1443.

Hocquette J.F., Ortigues-Marty I., PethickD.W., Herpin P., Fernandez X., 1998. Nutritional

and hormonal regulation of energy metabolismin skeletal muscles of meat-producing animals.Livest. Prod. Sci., 56, 115-143.

Hocquette J.F., Jurie C., Sabboh H., AmargerV., Levéziel H., Bauchart D., Boulesteix P.,Pethick D.W., 2002. Recherche d'indicateursmétaboliques et moléculaires du persillage de laviande bovine. 9èmes Journ. Sciences du Muscleet Technologies de la Viande. Clermont-Ferrand,France, 15-16 octobre 2002. Viandes et ProduitsCarnés, Numéro Hors Série, 145-146.

Hocquette J.F., Jurie C., Ueda Y., BoulesteixP., Bauchart D., Pethick D.W., 2003a. The rela-tionship between muscle metabolic pathwaysand marbling of beef. In: Souffrant W.B., MetgesC.C. (Eds), Progress in Research on Energy andProtein Metabolism. EAAP Publication 109,Wageningen Pers., The Netherlands, 513-516.

Hocquette J.F., Cabaraux J.F., Jurie C.,Dufrasne I., Istasse L., 2003b. Metabolic proper-ties of bovine muscles: regulation by genetic andnutritional factors. In: Abstracts of the 54th Ann.Meet. Eur. Ass. Anim. Prod., Rome, Italie,August 31st-September 3rd 2003, 9,Communication orale Ph6.1, abstract, 251.

Hocquette J.F., Barnola I., Jurie C., Cassar-Malek I., Picard B., Renand G., 2004. Teneur enlipides intramusculaires et fibres musculaireschez des taurillons Charolais. Renc. Rech. Rum.,11, 91-94.

Jurie C., Ortigues-Marty I., Picard B., MicolD., Hocquette J.F., 2006. R The separate effectsof the nature of diet and grazing mobility onmetabolic potential of muscles from Charolaissteers. Livest. Sci., 104, 182-192.

Katsumata M., Matsumoto M., Kawakami S.,Kaji Y., 2004. Effect of heat exposure on uncou-pling protein-3 mRNA abundance in porcineskeletal muscle. J. Anim. Sci., 82, 3493-3499.

La Rocca S.A., Crouch D.H., Gillespie D.A.,1994. c-Myc inhibits myogenic differentiationand myoD expression by a mechanism whichcan be dissociated from cell transformation.Oncogene, 9, 3499-3508.

Lebret B., Louveau I., Damon M., Gondret F.,Lefaucheur L., Mourot J., Caritez J.C., Herpin P.,Le Roy P., 2002. Comparaison de porcs présen-tant des teneurs extrêmes en lipides dans le mus-cle longissimus. 1– Performances de croissanceet qualités des carcasses et des viandes. In: C.R.IXèmes Journ. des Sciences du Muscle etTechnologies de la viande, INRA, CTSCCV(Eds), 165-166.

Lemasters J.J., Nieminen A.L., Qian T., TrostL.C., Elmore S.P., Nishimura Y., Crowe R.A.,Cascio W.E., Bradham C.A., Brenner D.A.,Herman B., 1998. The mitochondrial permeabi-lity transition in cell death: a common mecha-nism in necrosis, apoptosis and autophagy.Bioch. Biophys. Acta, 1366, 177-196.

Liu Y., Fiskum G., Schubert D., 2002.Generation of reactive oxygen species by themitochondrial electron transport chain. J.Neurochem., 80(5), 780-787.

Listrat A., Jurie C., Cassar-Malek I.,Bouhraoua L., Picard B., Micol D., HocquetteJ.F., 2001. Effect of grass feeding on musclecharacteristics of finishing Charolais steers.Polish-French Symp. Animal and growth deve-lopment: regulatory mechanisms. Paris, France,25-26 September 2001. Reprod. Nutr. Dev., 42,508.

Mao L., Zabel C., Wacker M.A., Nebrich G.,Sagi D., Schrade P., Bachmann S., Kowald A.,Klose J., 2006. Estimation of the mtDNA muta-

tion rate in aging mice by proteome analysis andmathematical modeling. Exp. Gerontol., 41(1),11-24.

Martin C., Oudot A., Fontaine E., Vergely C.,Keriel C., Rochette L., Leverve X., Demaison L.,Abnormalities of mitochondrial functioning canexplain the metabolic disorders encountered insarcopenic gastrocnemius. Aging Cell (accepté).

Miner J.H., Wold B.J., 1991. c-Myc inhibitionof MyoD and myogenin-initiated myogenic dif-ferentiation. Mol. Cell. Biol., 11, 2842-2851.

Orzechowski A., Hocquette J.F., Picard B.,Cassar-Malek I., 2002. Elevated protein expres-sion of respiratory chain enzymes is associatedwith metabolic differentiation of foetal skeletalmuscle. XXII Congress of the PolishPhysiological Society, Bydgoszcz, Poland,September 4-7 2002. J. Physiol. Pharmacol., 53(Suppl. 1), 70.

Raimbault S., Dridi S., Denjean F., Lachuer J.,Couplan E., Bouillaud F., Bordas A., DuchampC., Taouis M., Ricquier D., 2001. An uncouplingprotein homologue putatively involved in facul-tative muscle thermogenesis in birds. Biochem.J., 353, 441-444.

Ricquier D., 2005. Respiration uncouplingand metabolism in the control of energy expen-diture. Proc. Nutr. Soc., 64, 47-52.

Rimbert V., Boirie Y., Bedu M., HocquetteJ.F., Ritz P., Morio B., 2004. Muscle fat oxida-tive capacity is not impaired by age but by phy-sical inactivity: association with insulin sensitiv-ity. FASEB J., 18(6), 737-739.

Rochard P., Rodier A., Casas F., Cassar-MalekI., Marchal-Victorion S., Daury L., Wrutniak C.,Cabello G., 2000. Mitochondrial activity isinvolved in the regulation of myoblast differenti-ation through myogenin expression and activityof myogenic factors. J. Biol. Chem., 275, 2733-2744.

Rolfe D.F., Brand M.D., 1996. Contribution ofmitochondrial proton leak to skeletal muscle res-piration and to standard metabolic rate. Am. J.Physiol., 271, C1380-C1389.

Rousset S., Alves-Guerra M.C., Mozo J.,Miroux B., Cassard-Doulcier A.M., Bouillaud F.,Ricquier D., 2004. The biology of mitochondrialuncoupling proteins. Diabetes, 53, S130-S135.

Ryan K.M., Birnie G.D., 1997. Cell-cycle pro-gression is not essential for c-Myc to block dif-ferentiation. Oncogene, 14, 2835-2843.

Schmidt I., Herpin P., 1997. Postnatal changesin mitochondrial protein mass and respiration inskeletal muscle from the newborn pig. Comp.Biochem. Physiol. B Biochem. Mol. Biol., 118,639-647.

Schrauwen P., Hoeks J., Schaart G., KornipsE., Binas B., Van De Vusse G.J., Van Bilsen M.,Luiken J.J., Coort S.L., Glatz J.F., Saris W.H.,Hesselink M.K., 2003. Uncoupling protein 3 as amitochondrial fatty acid anion exporter. FASEBJ., 17, 2272-2284.

Semsarian C., Wu M.J., Ju Y.K., Marciniec T.,Yeoh T., Allen D.G., Harvey R.P., Graham R.M.,1999. Skeletal muscle hypertrophy is mediatedby a Ca2+-dependent calcineurin signallingpathway. Nature, 400, 576-81.

Seyer P., 2005. Implication directe de l'activi-té mitochondriale dans la régulation de la diffé-renciation des myoblastes. Thèse d'Université,ENSA Montpellier, France, 151p.

Seyer P., Grandemange S., Busson M., CarazoA., Gamaleri F., Pessemesse L., Casas F.,



Cabello G., Wrutniak-Cabello C., 2006a.Mitochondrial activity regulates myoblast diffe-rentiation by control of c-Myc expression. J. CellPhysiol., 207, 75-86.

Seyer P., Grandemange S., Pessemesse L.,Casas F., Cabello G., Wrutniak-Cabello C.,2006b. L’activité mitochondriale est un régula-teur majeur de la différenciation des myoblasteset de l'expression des isoformes de myosine.INRA Prod. Anim., 19(4), 279-286.

Siebenlist U., Bressler P., Kelly K., 1988. Twodistinct mechanisms of transcriptional controloperate on c-Myc during differentiation of HL60cells. Mol. Cell. Biol., 8, 867-874.

Sudre K., Leroux C., Piétu G., Cassar-MalekI., Petit E., Listrat A., Auffray C., Picard B.,Martin P., Hocquette J.F., 2003. Transcriptomeanalysis of two bovine muscles during ontoge-nesis. J. Biochem., 133, 745-756.

Sudre K., Cassar-Malek I., Listrat A., Ueda Y.,Leroux C., Jurie C., Auffray C., Renand G.,

Martin P., Hocquette J.F., 2005. Biochemical andTranscriptomic analyses of two bovine skeletalmuscles in Charolais bulls divergently selectedfor muscle growth. Meat Sci., 70, 267-277.

Taouis M., De Basilio V., Mignon-GrasteauS., Crochet S., Bouchot C., Bigot K., Collin A.,Picard M., 2002. Early-age thermal conditioningreduces uncoupling protein messenger RNAexpression in pectoral muscle of broiler chicks atseven days of age. Poultry Sci., 81, 1640-1643.

Touraille C., 1994. Incidence des caractéris-tiques musculaires sur les qualités organolep-tiques des viandes. Renc. Rech. Rum., 1, 169-176.

Trifunovic A., Wredenberg A., Falkenberg M.,Spelbrink J.N., Rovio A.T., Bruder C.E.,Bohlooly-Y M., Gidlof S., Oldfors A., Wibon R.,Tornell J., Jacobs H.T., Larsson N.G., 2004.Premature ageing in mice expressing defectivemitochondrial DNA polymerase. Nature, 429,417-423.

Trifunovic A., 2006. Mitochondrial DNA andageing. Biochim. Biophys. Acta., 1757(5-6),611-617.

Viner R.I., Ferrington D.A., Williams T.D.,Bigelow D.J., Schoneich C., 1999. Protein mo-dification during biological aging: selective tyro-sine nitration of the SERCA2a isoform of thesarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase in skeletalmuscle. Biochem J., 340, 657-669.

Wrutniak C., Cassar-Malek I., Marchal S.,Rascle A., Heusser S., Keller J.M., Flechon J.,Dauça M., Samarut J., Ghysdael J., Cabello G.,1995. A 43 kDa protein related to c-erb A α1 islocated in the mitochondrial matrix. of rat liver.J. Biol. Chem., 270, 16347-16354.

Wrutniak-Cabello C., Casas F., Cabello G.,2001. Thyroid hormone action in mitochondria.J. Mol. Endocr., 26, 67-77.

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 vieillisse-ment chez l’homme.

La relation entre activité mitochondriale et développement musculaire a été confirmée. Au-delà de la relation entre métabolisme oxyda-tif, densité mitochondriale et type contractile des fibres, nous montrons que les caractéristiques intrinsèques des organites diffèrent enfonction des isoformes de myosine présentes. Les mitochondries participent à la définition du type contractile et à la différenciation desmyoblastes, 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 mitochon-driogenèse 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 qua-lité des viandes, et l’activité mitochondriale. La teneur en LIM semble davantage corrélée avec la différenciation des adipocytes intramus-culaires 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 deconclure sur leur rôle physiologique. UCP3 et avUCPs sont des effecteurs importants de l’effet thermogénique de la T3 et pourraient jouerun 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 divergentspar rapport à la littérature : absence d’accumulation de délétions de l’ADN mitochondrial et d’altération de l’expression de gènes mito-chondriaux ou nucléaires avant un âge très avancé. Pourtant, la production mitochondriale d’H2O2 augmente avec l’âge et le vieillisse-ment accroît la sensibilité de la respiration mitochondriale au calcium, deux phénomènes susceptibles de participer à l’induction «facili-tée» d’une mort cellulaire.

En conclusion, que ce soit chez l’animal ou l’homme, les mitochondries musculaires participent à de nombreuses fonctions physiologiquesen liaison avec leurs différentes activités biologiques.

Résumé

Implication of mitochondria in muscular biology: a key role during early development, growth and muscular atrophy.

Mitochondria are implicated in the regulation of biological process controlling development, growth and muscle properties in farm ani-mals, as well as sarcopenia during aging in humans. Recent results obtained at INRA on these aspects are reviewed in this paper.

First, the relationship between oxidative metabolism, mitochondria density and muscle contractile type is confirmed, and the specificityof mitochondria properties according to myosin isotypes is demonstrated. Contribution of mitochondria to the acquisition of muscle con-tractile types and to myoblast differentiation, through the mitochondria-nuclear cross-talk, is described, and the key roles of c-Myc,Calcineurine and myogenin in this process is clearly established. The involvement of the direct T3 mitochondrial pathway in the regula-tion of mitochondrial biogenesis and activity is confirmed both in vitro and in vivo.

Abstract



No clear relation is found between mitochondrial activity and the amount of intramuscular fat, a key component of meat quality. In fact,muscle lipid content appears to be more related to intra-muscular adipocyte differentiation and lipid turnover rate than to any metabol-ic pathway.

We also show in pigs and chickens that uncoupling proteins, UCP2, UCP3 and avUCP are differentially regulated in the muscle, but it isstill difficult to conclude on their physiological roles. UCP3 and avUCP are clearly implicated in the thermogenic effect of T3 andprobably play a role in the control of basal metabolism, whereas avUCP can be seen as a key metabolic sensor in the chicken because itsexpression is modified by cold or warm exposure and correlated to the intensity of lipid metabolism.

Finally, mitochondrial H2O2 production increases during healthy aging but has no short-term effect on muscle aging (sarcopenia). In fact,accumulation of mitochondrial DNA deletions and alteration of the expression of mitochondrial or nuclear genes are only observed in veryold patients (older than 80). However, sensitivity of mitochondrial respiration to calcium clearly increases with aging, a process that couldcontribute to the reduction of aged muscle resistance to stress and to the development of apoptosis.

HERPIN P., DAMON M., HOCQUETTE J.-F., MÉDALE F., MOSONI L., STÉPIEN G., WRUTNIAK-CABELLO C.,CABELLO G., 2006. Implication des mitochondries dans la biologie musculaire : un rôle clé au cours du développement,de la croissance et de la fonte musculaire. INRA Prod. Anim., 19, 245-264.

Documents

Implication des mitochondries dans la biologie musculaire