Impact de la dynamique mitochondriale et de l’instabilité génomique mitochondriale sur le développement des troubles cardiaques liés à l’âge – DYNAMICA

Notre projet s'articule autour de 3 objectifs (work packages, WP):

WP1 : Explorer comment le cœur s’adapte à la présence de cellule ayant perdu leur activité mitochondriale cours du vieillissement.

Étant donné la faible proportion de ces cellules défectueuses dans les cœurs vieillissants et leur distribution aléatoire, il est très probable que leur rôle pathologique résulte d’effets néfastes sur les cellules « normales » environnantes. Nous proposons d’analyser ces adaptations en utilisant une approche multi-omique (séquençage de l'ADN, analyse des métabolites) ainsi qu’une analyse des tissus pour détecter un éventuel remodelage au niveau cellulaire et tissulaire dans le cœur à l'aide d'un modèle murin reproduisant ce phénomène de vieillissement mitochondrial cardiaque.

WP2 : Déterminer si la modulation de la dynamique mitochondriale dans le cœur peut interférer avec l’accumulation de mutations de l’ADNmt et de cellules déficientes au cours du vieillissement.

Nous avons montré que les cellules déficientes en activité mitochondriale affectent la fonction du cœur au delà d'un seuil critique. Nous proposons donc que toute intervention visant à ralentir l’accumulation des délétions de l’ADNmt, et par conséquent le développement de ces cellules déficientes, devrait retarder l’apparition des dysfonctionnements cardiaques. Comme des données expérimentales et cliniques suggèrent que la dynamique mitochondriale intervient dans le contrôle de la qualité de l’ADNmt, nous utiliserons une approche génétique pour altérer la fusion et la fission des mitochondries dans notre modèle murin de vieillissement mitochondrial cardiaque. Les cœurs seront étudiés pour identifier les délétions d’ADNmt, la présence de cellules déficientes en activité mitochondriale, ainsi que les biomarqueurs et voies moléculaires identifiés dans le WP1. La fonction cardiaque sera évaluée par l’analyse des électrocardiogrammes à l’aide de puces de télémétrie implantées.

WP3 : Déterminer si des approches pharmacologiques visant à moduler la dynamique mitochondriale et la mitophagie peuvent reproduire les effets observés dans le WP2.

L’identification de la dysfonction mitochondriale comme un contributeur majeur aux maladies cardiovasculaires a ouvert un nouveau champ de recherche pour découvrir des thérapies ciblant les mitochondries et leurs systèmes de contrôle de qualité, y compris la dynamique mitochondriale et la mitophagie. L’existence de molécules connues pour moduler ces processus permet désormais de tester leurs effets in vivo dans le contexte de l’accumulation accélérée des délétions de l’ADNmt dans le cœur chez notre modèle murin, afin de déterminer si elles ont un effet bénéfique sur la fonction cardiaque.

Les résultats principaux obtenus au cours du projet DYNAMICA sont les suivants:

Analyse des métabolites (WP1):

Une classe particulière de lipides se retrouve en quantité augmentée dans le plasma des souris présentant un vieillissement mitochondrial accéléré dans le cœur, et cela dès l'âge de 12 mois, lorsque les atteintes d'arythmies cardiaques ne sont pas installées. Cela suggère que cette augmentation de lipides plasmatiques est un marqueur précoce de dysfonction cardiaque.

Influence de la fusion mitochondriale sur l'accumulation de mutations de l'ADNmt et la présence de cellules déficientes en activité mitochondriale (WP2):

Après avoir développé des modèles d'altération de la fusion ou de la fission mitochondriale en conjonction avec un vieillissement mitochondrial accéléré, nous avons pu les valider (diminution de l'expression des protéines impliquées dans ces processus). Alors que l'atteinte de la fission n'a pas montré d'impact particulier, nos résultats ont mis en évidence un rôle protecteur de la fusion mitochondriale contre l'accumulation de cellules cardiaques déficientes, sans pour autant influencer le taux global d'ADNmt portant des mutations. En effet, le nombre de cellules déficientes en activité mitochondriale est doublé lorsque la fusion est altérée dans notre modèle murin.

Traitement des souris avec les molécules modulatrices de la fusion mitochondriale et la mitophagie (WP3):

Nous avons traité pendant deux mois et à deux âges différents (18 et 24 mois) le modèle murin de vieillissement mitochondrial accéléré dans le cœur avec une molécule stimulatrice de la fusion, et une molécule stimulatrice du renouvellement mitochondrial par mitophagie. Nos résultats montrent peu d'impact de la molécule pro-fusion à la dose testée. Par contre, la molécule stimulatrice de la mitophagie a globalement un impact bénéfique sur le taux de mutations de l'ADNmt et la proportion de cellules déficientes en activité mitochondriale.

Dans l'ensemble, le projet DYNAMICA a apporté de nouvelles connaissances sur le développement des maladies du cœur, et devrait stimuler de nouvelles recherches pour développer des stratégies thérapeutiques ciblant la dynamique mitochondriale afin d'améliorer la santé cardiaque au cours du vieillissement.

En particulier, nous avons mis en évidence un rôle crucial de la fusion mitochondriale contre l'accumulation de cellules présentant une fonction mitochondriale altérée au cours du vieillissement cardiaque. Cela pourrait être via le contrôle de la distribution des molécules d'ADNmt mutées au sein du réseau de mitochondries cellulaires, et nous allons réaliser de nouvelles expériences pour investiguer d'avantage ce phénomène.

L'analyse des électrocardiogrammes qui va être réalisée dans les semaines à venir devrait permettre de déterminer si l'approche de traitement pharmacologique que nous avons utilisée a eu un impact bénéfique sur les arythmies cardiaques dans notre modèle d'étude, et par là-même d'ouvrir d'intéressantes perspectives pour le traitement de ces troubles cardiaques chez l'homme.

Les maladies cardiovasculaires constituent un problème majeur en santé publique. Elles comptent parmi les principales causes de décès dans le monde, l'âge étant l'un des principaux facteurs de risque. En effet, le vieillissement s'accompagne d'une incidence élevée de dysfonctionnements cardiaques et est un facteur aggravant dans les pathologies ischémiques. Bien que ces maladies soient d'origine multifactorielle, de nombreuses études suggèrent un rôle crucial des mitochondries, des organites essentiels intervenant dans de nombreux processus métaboliques dans la cellule. En particulier, l'instabilité du génome mitochondrial (ADNmt) au cours du vieillissement, reflétée par l'accumulation de mutations ponctuelles et de délétions larges dans de nombreux tissus, est un paramètre critique. Lorsqu'elles dépassent un seuil délétère, ces mutations conduisent au développement de mosaïques tissulaires mitochondriales. Celles-ci sont constituées de quelques cellules déficientes en activité mitochondriale au sein de nombreuses cellules « normales », et sont retrouvées dans de nombreux tissus, dont le cœur. Jusqu'à récemment, le rôle pathophysiologique de ces mosaïques au cours du vieillissement était inconnu. Pour répondre à cette question, nous avons généré un modèle murin qui accumule des délétions de l’ADNmt de manière tissu-spécifique et accélérée, en raison de la perte d’activité de l’hélicase mitochondriale lors de la réplication de cet ADN. Nous avons ainsi montré que dans le cœur, ces mosaïques sont impliquées dans le développement d’arythmies cardiaques et facilitent la survenue d’arythmies post-infarctus du myocarde. Bien que ces observations soulignent l’importance de l’intégrité de l’ADNmt dans la physiologie cardiaque, les mécanismes en jeu sont encore inconnus. De manière intéressante, la grande plasticité des mitochondries, qui forment un réseau dynamique résultant d’une balance fine entre fusion et fission des organites, semble jouer un rôle dans le contrôle-qualité de l’ADNmt. Nous émettons l'hypothèse que l'instabilité de l'ADNmt et les mosaïques tissulaires mitochondriales qui en résultent conduisent à des adaptations délétères dans le cœur, qui contribuent au développement et à la sévérité des maladies cardiovasculaires, et que des traitements visant à moduler la dynamique mitochondriale dans les cardiomyocytes pourraient retarder le développement de ces pathologies ou améliorer leur pronostic. Pour répondre à ces hypothèses, nous proposons un programme de recherche réparti en trois work packages: WP1) Nous explorerons comment le coeur répond à la présence de quantité croissantes de cardiomyocytes déficients en activité mitochondriale au cours du vieillissement. Nous proposons d’explorer ces adaptations délétères par une approche multi-omique pour détecter des biomarqueurs potentiels, ainsi qu'une analyse histologique pour détecter un remodelage au niveau cellulaire et tissulaire. WP2) Nous déterminerons si la modulation de la dynamique mitochondriale dans le cœur peut interférer avec l’accumulation de délétions d’ADNmt au cours du vieillissement. Après induction d’une déficience systémique de la fusion ou de la fission mitochondriale dans notre modèle murin d'instabilité de l'ADNmt par une approche génétique, nous analyserons les modifications phénotypiques, en particulier les répercussions pathophysiologiques sur la fonction cardiaque (ECG, échocardiographie, lésions liées à l’ischémie/reperfusion). WP3) Nous déterminerons si des approches pharmacologiques utilisant des substances connues pour moduler la dynamique mitochondriale peuvent reproduire les effets observés dans le second work package chez nos souris présentant une instabilité du ADNmt dans le cœur et déterminer si elles ont un effet bénéfique sur leur fonction cardiaque. Notre projet devrait donc stimuler la mise au point de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les maladies cardiovasculaires.