Mitochondrial Uncoupling protein 2 role in metabolism regulation and maturation of neonatal cardiomyocytes
Rôle de la protéine découplante mitochondriale Ucp2 dans la régulation du métabolisme et de la maturation des cardiomyocytes néonataux
Résumé
During development, the heart relies mainly on glycolysis for ATP production. At birth, exposure to atmospheric O2 levels and nutritional switch towards the fatty acid-rich maternal milk triggers a metabolic remodeling towards mitochondrial oxidative phosphorylation. Cardiomyocytes then rely on oxidative metabolism, particularly β-oxidation. The remodeling is concomitant with transcriptional changes allowing increasing mitochondrial biogenesis and maturation of the contractile machinery, thus optimizing energy production and heart contractile function. The augmentation of mitochondrial metabolic activity participates in the signaling ensuring the emergence of mature phenotypes, including cardiomyocyte cell-cycle arrest and transition to hypertrophy. Thus, in a long-term therapeutic view, a better understanding of mitochondrial signaling during maturation appears critical to improve cardiomyocyte in vitro models relevancy as well as to stimulate their proliferation in the adult in order to sustain heart regeneration. My PhD project is focused on the mitochondrial uncoupling protein 2 (Ucp2), specifically expressed in the neonatal heart, and its role during cardiomyocyte maturation. Ucp2 is a carrier located on the inner mitochondrial membrane, where it exerts 2 functions. (1) It regulates mitochondrial reactive oxygen species production and (2) it is involved in cell fuel preferences via Krebs metabolite export from the matrix to the cytosol. We have shown that Ucp2 deletion in neonatal mouse heart induces defective cardiomyocyte maturation. Indeed, Ucp2-/- cardiomyocytes display inability to induce the post-natal transcriptional program, including impaired mitochondrial biogenesis, absence of β-oxidation and defective contractility. Metabolic activity analysis revealed that Ucp2 mutant -heart poorly relies on pyruvate or fatty acids for ATP production. Instead, it shows metabolic dependency to glutamine through the GABA shunt. This is associated to unbalanced Krebs intermediates relative abundance, in particular α-ketoglutarate and succinate. These metabolites are important regulators of TET enzymes activity which activate gene expression and participate in neonatal cardiomyocyte metabolic and contractile maturation. These results demonstrate that Ucp2 plays a critical role in regulating metabolic activity of neonatal cardiomyocytes, and unravel a new type of mitochondrial signaling initiating postnatal heart maturation.
Au cours du développement, le cœur utilise un métabolisme essentiellement glycolytique. A la naissance, l’exposition à l’O2 atmosphérique et le passage à l’alimentation lactée riche en acides gras entraînent un remodelage métabolique vers la phosphorylation oxydative mitochondriale. Les cardiomyocytes adoptent alors un métabolisme oxydatif, majoritairement dépendant de la β-oxydation. Ce remodelage s’accompagne de changements transcriptomiques permettant, parallèlement à cette induction de la β-oxydation, de promouvoir la maturation des cardiomyocytes. Celle-ci, qui permet d’optimiser la production d’énergie et la fonction de contraction, requiert une induction de la biogénèse mitochondriale, une augmentation et une modulation de l’expression des constituants de la machinerie contractile, responsable de l’hypertrophie des cardiomyocytes néonataux, et un arrêt de leur prolifération. De nombreuses hypothèses suggèrent que l’activité métabolique de la mitochondrie participe à la signalisation de cette maturation, régulant notamment l’arrêt de prolifération des cardiomyocytes néonataux et leur hypertrophie. Dans une perspective thérapeutique, la compréhension de cette signalisation est essentielle. Elle permettrait notamment de promouvoir l’utilisation des modèles de cardiomyocytes in vitro en améliorant leur différenciation terminale, ou au contraire de stimuler la prolifération de cardiomyocytes adulte in vivo pour permettre la régénération cardiaque. Mes travaux de thèse portent sur la protéine mitochondriale Ucp2, spécifiquement exprimée dans le cœur néonatal, et sur son rôle dans la maturation des cardiomyocytes. Ucp2 est un transporteur localisé dans la membrane interne de la mitochondrie. Il possède deux fonctions (1) de régulation de la production d’espèces réactives mitochondriales et (2) de régulation de l’orientation métabolique de la cellule via l’export d’intermédiaires du cycle de Krebs de la matrice vers le cytosol. Dans cette étude, nous avons montré que la délétion d’Ucp2 dans le cœur murin néonatal entraîne un retard de maturation des cardiomyocytes. Celui-ci est marqué par un défaut d’initiation du programme transcriptomique associé à la maturation, entrainant une altération de la biogénèse mitochondriale, une absence d’utilisation de la β-oxydation et des défauts de contractilité. L’analyse de l’activité métabolique a révélé qu’en absence d’Ucp2, le cœur néonatal utilise peu les acides gras et le pyruvate, mais devient dépendant de la glutamine via le GABA shunt. Cela entraîne un déséquilibre de la présence relative des intermédiaires du cycle de Krebs, notamment l’α-cétoglutarate et le succinate . Ces métabolites sont des régulateurs essentiels des TET, enzymes qui activent l’expression génique et sont impliquées dans la maturation métabolique et contractile des cardiomyocytes néonataux. Ces résultats démontrent le rôle essentiel d’Ucp2 dans la régulation métabolique des cardiomyocytes néonataux, et révèlent l’existence d’un nouveau type de signalisation mitochondriale initiant la maturation cardiaque post-natale.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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