Le calcium cytosolique régule l'oxydation mitochondriale hépatique, la lipolyse intrahépatique et la gluconéogenèse via l'activation de la CaMKII

Dans le domaine de recherche sur le métabolisme énergétique des cellules, les ions calcium mitochondriaux ([Ca²⁺]mt) sont considérés comme un nœud crucial dans la régulation de la fonction oxydative mitochondriale. Leur rôle principal passe par l’activation des déshydrogénases sensibles au calcium dans le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA), y compris l’isocitrate déshydrogénase (IDH) et l’α-cétoglutarate déshydrogénase (OGDH). Ces enzymes peuvent répondre rapidement aux variations de calcium, régulant ainsi l’équilibre entre l’offre et la demande d’ATP dans la cellule. Cependant, des études récentes ont révélé que les ions calcium dans le cytoplasme ([Ca²⁺]cyt) peuvent jouer un rôle plus important dans ce processus. Cette étude vise à explorer en profondeur le rôle de [Ca²⁺]mt et [Ca²⁺]cyt dans la régulation de l’oxydation et du métabolisme mitochondriaux hépatiques.

Source de l’étude

Cette recherche a été réalisée par une équipe de la Yale School of Medicine sous la direction de Traci E. Lamoia et Gerald I. Shulman, en collaboration avec des institutions comme le Massachusetts General Hospital et le Howard Hughes Medical Institute. L’article a été publié dans la revue Cell Metabolism le 1er octobre 2024.

Conception et méthodes de l’étude

1. Modèle expérimental

L’étude utilise un modèle de souris knock-out spécifique hépatique du transporteur unidirectionnel du calcium mitochondrial (MCU KO), pour réduire [Ca²⁺]mt et augmenter [Ca²⁺]cyt. La suppression de MCU est réalisée en croisant des souris MCU flox/flox avec des souris Alb-Cre.

2. Collecte et analyse des données

Les données ont été collectées grâce à une série de techniques innovantes et classiques : - Détection du calcium mitochondrial et cytoplasmique : utilisation du colorant Fluo-4 et de la technologie d’imagerie en temps réel. - Analyse du flux métabolique : une technique innovante de marquage du flux métabolique [¹³C⁵]glutamine (Q-flux) est utilisée pour quantifier les flux clés dans le cycle TCA. - Détection des protéines : l’expression et le niveau de phosphorylation des protéines et des enzymes clés sont détectés par Western blot.

3. Étapes expérimentales

L’étude inclut les étapes principales suivantes : 1. Vérification de l’effet de la suppression de MCU sur [Ca²⁺]mt et [Ca²⁺]cyt ; 2. Analyse de l’effet de la suppression de MCU sur l’oxydation des acides gras (FAO), la lipolyse et le flux néoglucogénique mitochondrial dans le foie ; 3. Validation du rôle de CaMKII (protéine kinase II dépendante de la calmoduline) dans ces processus par activation ou knock-down ; 4. Évaluation d’autres mécanismes possibles, tels que le système navette malate-aspartate (MAS) et le rôle de SCaMC-3.

Principaux résultats

1. La suppression de MCU modifie la dynamique calcique cellulaire

La suppression de MCU diminue considérablement [Ca²⁺]mt tout en augmentant fortement [Ca²⁺]cyt. Une analyse plus approfondie montre que l’augmentation de [Ca²⁺]cyt s’accompagne d’une activation significative de CaMKII.

2. Lipolyse et oxydation mitochondriale renforcées

La suppression de MCU augmente considérablement le niveau de phosphorylation de l’enzyme de lipolyse hépatique (ATGL), augmentant ainsi le taux de lipolyse de 95 %. Le flux FAO augmente d’environ 60 %, le contenu en triglycérides hépatiques (TAG) diminue d’environ 50 %, et le volume des gouttelettes lipidiques diminue d’environ 30 %.

3. Flux métabolique accéléré

L’analyse Q-flux montre qu’après la suppression de MCU : - Le flux de pyruvate carboxylase (VPC) augmente de 50 % ; - Le flux de néoglucogenèse mitochondriale (VMito GNG) augmente de 60 % ; - Le flux de glutamine (VGLS) augmente de 40 %.

4. [Ca²⁺]cyt médie l’oxydation mitochondriale via CaMKII

Des expériences d’activation de CaMKII chez la souris ont réussi à reproduire le phénotype métabolique observé lors de la suppression de MCU. À l’inverse, après le knock-down de CaMKII, l’effet d’augmentation de la lipolyse et de l’oxydation mitochondriale est éliminé, confirmant le rôle crucial de la voie [Ca²⁺]cyt/CaMKII.

5. [Ca²⁺]mt n’est pas essentiel à l’oxydation mitochondriale

Bien que la diminution de [Ca²⁺]mt se produise, les flux d’activité des enzymes clés comme IDH et OGDH ne diminuent pas mais augmentent d’environ 50 %. Cela démontre que l’oxydation mitochondriale peut se détacher du contrôle de [Ca²⁺]mt.

Importance de l’étude

Cette étude indique clairement pour la première fois que [Ca²⁺]cyt joue un rôle dominant dans la régulation du métabolisme mitochondrial hépatique via l’activation de CaMKII, défiant l’idée traditionnelle selon laquelle [Ca²⁺]mt est crucial pour l’oxydation mitochondriale. En outre, l’étude révèle de nouvelles possibilités de régulation du métabolisme hépatique via la suppression de MCU ou l’activation de CaMKII, offrant de nouvelles perspectives pour le traitement de la stéatose hépatique métabolique (MASLD) et du diabète de type 2 (T2D).

Points forts de l’étude

• Conception expérimentale innovante : combinaison du modèle de suppression de MCU et de la technique Q-flux pour quantifier pour la première fois in vivo la relation entre [Ca²⁺]cyt et l’oxydation mitochondriale.
• Élucidation des mécanismes : rôle central révélé de la voie [Ca²⁺]cyt/CaMKII dans la lipolyse, la FAO et la néoglucogenèse.
• Valeur clinique potentielle : nouvelles perspectives pour les stratégies de traitement des maladies métaboliques, en particulier dans la régulation du métabolisme des lipides et du glucose.

Limitations et future recherche

Les auteurs soulignent que les résultats peuvent varier en fonction de différents contextes génétiques. De plus, le modèle de suppression de MCU peut présenter des incohérences par rapport à d’autres modèles de recherche. Les recherches futures devraient explorer d’autres mécanismes en aval régulés par [Ca²⁺]cyt et vérifier l’applicabilité interespèces de ces découvertes.

Conclusion

Cette étude a exploré systématiquement les mécanismes de régulation du métabolisme mitochondrial hépatique, renversant les idées traditionnelles en soulignant le rôle central de [Ca²⁺]cyt/CaMKII dans le métabolisme énergétique hépatique. Les résultats approfondissent notre compréhension de la biologie du métabolisme du calcium et ouvrent de nouvelles voies pour le traitement des maladies métaboliques.