Mécanismes de l’atrophie du muscle 2h

1. Mécanismes de l’atrophie du muscle 2h Master 1ère année 09 Mars 2011 Anthony SANCHEZ sancheza@supagro.inra.fr anthony.sanchez@univ-montp1.fr Université de Montpellier 1

2. Plan du cours • Le muscle squelettique – généralités • 0. Sujet d’examen • 1.1. Quelques bases de biologie cellulaire • 1.2. L’antagonisme Hypertrophie/Atrophie • 2. Les atteintes musculaires • 2.1. Les différentes atteintes musculaires - Immobiliser le muscle ? • 2.2. Les mécanismes cellulaires activées au cours de l’immobilisation • 2.2.1. Inhibition de la synthèse protéique (new + AB) • 2.2.2. Activation du système ubiquitine-protéasome (new) • 2.2.3. Activation de l’autophagie (new) • 2.2.4. Activation des calpaines (new) • 2.2.5. Activation de la myostatine (révision cours AB + FF) • L’entraînement sportif: une compétition entre anabolisme et catabolisme • voies signalétiques + effets de compléments alimentaires • 4. En pratique: comment prévenir les phénomènes de protéolyse en situation pathologique?

3. 1. Le muscle squelettique – généralités

4. Sujet: Monsieur Prot, cycliste de haut niveau, fait une chute et se retrouve avec la jambe droite immobilisée pendant 3 semaines. Après lui avoir expliqué les mécanismes impliqués dans la protéolyse secondaire à son immobilisation, détailler quelques conseils pratiques qui pourraient lui être donnés afin de limiter l’atrophie. Discuter la différence qu’on peut faire avec la protéolyse induite par l’exercice "la plasticité du muscle est la capacité du muscle à s'étirer après une détente verticale"

5. Deux bases de biologie cellulaire Les kinases sont des enzymes catalysant les réactions de phosphorylation par l'ajout d'un ion phosphate à une molécule cible. La molécule cible, appelée le substrat, peut-être : Ex : TSC2 P AMPk Protéine phosphorylée hypoactivité hyperactivité Clivage d’une protéine : rupture de la protéine dans le but d’atteindre ou pas une fonction spécifique LC3 LC3 I LC3 II Nouvelle fonction

6. L’antagonisme atrophie / hypertrophie Synthèse Dégradation • 637 muscles chez l’homme • 40% du poids corporel chez l’homme Homéostasie Immobilization, cancer, diabète … Entraînement, Nutriments, Hormones de croissance… Turnover protéique ATROPHY HYPERTROPHY

7. 2. Les atteintes musculaires BUTS Crampe Contracture Elongation Claquage Déchirure Les comprendre, les différencier Savoir quoi faire Lesquels nécessitent une immobilisation ? Mécanismes cellulaires de l’atrophie / comment les limiter ?

8. « L'atrophie induit un recrutement des fibres rapides, c'est donc avantageux pour les sprinters »

9. La crampe / la contracture Situation où le muscle ne retrouve pas sa longueur initiale. Conséquence d'une activité anormale ou exagérée du muscle. Il n'y a pas de lésion. La contracture n'arrive pas pendant l'entraînement mais une heure ou deux après ou le lendemain matin. Une contracture est souvent le résultat d'une crampe persistante. Traitement: Chaleur + massage (soulagent la douleur) + ---- Déchets azotés Myofilaments Donald M. Bers. Nature. 2002; 415, 198-205

10. Claquage • lésion d'un certain nombre de fibres musculaires. Il y a dégâts anatomiques. • Diagnostic: apparition brutale en plein effort (interruption immédiate). • Le claquage touche le plus souvent les ischio-jambiers mais peut survenir sur n'importe quel muscle, notamment le quadriceps crural et les jumeaux • Traitement • Compression et Élévation : pour limiter le gonflement et l'accumulation de fluide autour de la zone blessée. • Chaleur et massage sont formellement proscrits. Why ? http://www.akelys.com/exercices/exercices_par_muscle/ishios.html = arrêterez l’hémorragie dans le muscle Le massage (et même la palpation) risque d'exagérer la douleur, d'aggraver les lésions et de provoquer une hémorragie.

11. La Déchirure Rupture totale du muscle due à un dépassement des possibilités physiologiques du muscle. > un geste incorrect > amplitude trop élevée > ex: cas du sprinter qui va "tracter" et être en lordose lombaire ; il y a alors une charge de travail trop importante incombant aux ischio-jambiers. BUT = arrêterez le saignement • cryothérapie (utilisation de coussins thermiques – glace) • Légère compression (pas trop pour ne pas stopper la circulation sanguine) • Proscrire toute manipulation et faire un examen très sérieux par un médecin du sport. Opération parfois.

12. Question: différence entre le claquage et la déchirure ? Elongation survient au cours de l'exercice douleur pas très importante: impression d'étirement du muscle qui n'implique pas l'arrêt de l'effort C'est l'inverse de la contracture, le muscle a été au-delà de ses possibilités d'étirement Question: comment on peut, par conséquent reconnaître immédiatement une élongation ? Traitement: repos, pas de massage, glace, et faire, dès que possible, de la physiothérapie. La guérison intervient entre 4 et 7 jours. « le muscle est un tissu plastique, c’est à dire que quand on force trop dessus, il peut s’étirer, se dénaturer et s’agrandir » douloureux sur toute sa longueur Signal d'alarme qu'il est indispensable de respecter car évolution vers un claquage possible

13. Quels blessures (musculaire ou autre) peuvent conduire à une immobilisation ? Discussions Elongation Claquage Déchirure Gravité de la blessure Les mécanismes que l’on va voir se mettent en place progressivement dès 1 jour d’immobilisation crampe contracture

14. Régulation de la masse musculaire : les voies signalétiques Immobilisation, Myopathies, Atteinte secondaires (cancer, diabète …) Nutriments, Hormones, exercise… HYPERTROPHY ATROPHY Homéostasie Turnover protéique Catabolisme Anabolisme Le Système ubiquitine protéasome La voie IGF-1/PI3K/AKT/mTOR L’autophagie Les calpaines L’apoptose La Myostatine

15. La voie IGF-1/PI3K/AKT/mTOR Exercice, hormones Immobilisation (plâtre, dénervation) P P P

16. Le Système ubiquitineprotéasome ATP dépendant - L’ubiquitination des protéines dépend de 3 enzymes : E1, E2 et E3 (ubiquitine ligases) • Chaîne de réaction, 1 ubiquitine (petit peptide) se lie à une protéine spécifique, puis 2ème ubiquitine .. • - Le substrat (la protéine) se retrouve dans une structure appelée protéasome, qui va le dégrader en petits peptides

17. Le Système ubiquitineprotéasome MAFbx et MuRF1 sont 2 ubiquitines ligases musculaires augmentées dans le cas d’une immobilisation Vidéo file://localhost/Users/anthonysanchez/Documents/These/Cours/Master-recherche-2010/VidéosM1/Protéasome.avi Taillandier et al. 2003 et 1996 ; Bodine et al. 2001 ; Ikemoto et al. 2001

18. L’autophagie Le Système fait intervenir 2 vésicules qui vont fusionner: - les autophagosomes formés grâce aux protéines autophagiques (Atgs) - les lysosomes constitués d’hydrolases • lyse des composants intracellulaires endommagés • recyclage d’acides aminés = rôle physio dans le remodelage cellulaire • plusieurs étapes nécessaires à la formation des autolysosomes : Atgs peptides Adapté de Alicia Meléndez et al., 2009

19. L’autophagie Augmentation des gènes autophagiques au cours de l’atrophie Identification d’un nouveau système recyclage d’acides aminés nécessaires à la survie de la cellule Zhao et al., 2007

20. Comment ces protéines sont-elles régulées ? FoxO Noyaux MAFbx + MuRF1 Atgs Dégradation protéique Fluck, M. J Exp Biol 2006;209:2239-2248 • FoxO1: MAFbx + MuRF1 • FoxO3: MAFbx + Autophagie

21. Les calpaines Jackman et Kandarian, 2004 • Les calpaines agissent par l’intermédiaire du calcium. Ce sont des protéines impliquées dans le désassemblage des myofibrilles • Activées lors de l’atrophie de type immobilisation ou de maladies neuromusculaires • Interaction avec le système ubiquitine-protéasome pour dégrader les protéines myofibrillaires

22. La Myostatine Régulateur négatif de la croissance musculaire •Inhibe la prolifération et la différenciation de cellules musculaires •L’inhibition de la myostatine entraîne une hypertrophie et une hyperplasie musculaire Inactivité physique Mst FoxO Noyaux AKT/TSC2/mTOR MAFbx MuRF1 Protein Degradation Protein Synthesis Taylor et al. 2001; McFarlane et al. 2006, Sandri et al, 2008

23. BILAN mTOR-raptor IGFR IGF/Ins Immobilisation P P P P IRS1 Calpaines PI3K Système Ubiquitin-protéasome P P FoxO P P AKT TSC1 MuRF1 P TSC2 MAFbx Rheb FoxO1 FoxO3 Protéasome Autophagy MAFbx MuRF1 Atgs mTOR Noyaux Atgs S6K1 4EBP1 P Autophagosome P eiF3F eIF3-f degradation Dégradation protéique Synthèse protéique

24. 3. L’entraînement sportif: une compétition entre anabolisme et catabolisme

25. 1 2 3 Dégradation Récupération Reconstruction Exercice Recup Remodelage

26. FoxO1,3 Substrat MAFbx mTOR MAFbx (ARN) MuRF1 MuRF1 (ARN) Atgs(ARN) peptides Ub Ub Ub Ub Atgs

27. Supplémentations alimentaires Acides aminés branchés Insuline Leucine Isoleucine Valine (essentiels) Atgs vps34 P peptides Combaret et al, 2010 Combaretet al, 2010

28. Supplémentations alimentaires Conseils Pratiques Les compléments utilisent un ratio 2 : 1 : 1 - Leucine 300 mg - Isoleucine 150 mg - Valine 150 mg . 5-10 min suffisent pour qu'ils soient absorbés et arrivent vers les muscles. . dans une boisson: en boire la moitié 30 min avant l'entraînement et le reste pendant la séance L'efficacité de la prise d'acides aminés branchés enrichis en leucine est conditionnée par plusieurs éléments, puisque pris trop loin de l'exercice, l'effet sera atténué, alors que celui sera augmenté avec la prise d'une boisson sucrée dans la demi heure post exercice, l'insuline ayant un effet permissif et additionnel sur la synthèse protéique.

29. Supplémentations alimentaires Autres effets de ces AAB • Efforts de longue durée: • moindre dégradation protéique (substrats) • Moindre utilisation des stocks en glycogène • Diminution de la fatigue centrale Blomstrand et al. : l’ingestion de ces AA pendant un marathon permettait d’améliorer la performance d’environ 3% chez les coureurs bouclant les 42,195 km en plus de 3h05. = 5 et 6 minutes (1 gramme par heure pour obtenir un effet) = gain de 300 places Conclusion: les AAB augmentent la croissance du muscle et l’endurance + amélioration du fonctionnement du foie • Boire suffisamment !!! • Déchets azotés : riens + foie + tendinites • Equilibre acido-basique changé (fruits + légumes)

30. En résumé : L’entraînement en force : - activation de l’autophagie et du sytèmeub-protéasome pour recréer un pool d’acides aminés + rôle des calpaines - activation de la voie PI3K-AKT-mTOR pour resynthétiser - inhibition de la myostatine - effet de la chaleur chez le rat (41°C, Kobayashiet al, 2005) Favorise la synthèse de ce que vous savez déjà: L’entraînement en endurance : - activation de l’autophagie et du sytèmeub-protéasome pour recréer un pool d’acides aminés + rôle des calpaines - activation de la voie PI3K-AKT-mTOR pour resynthétiser - inhibition de la myostatine Favorise la synthèse de ce que vous saviez déjà: + AAB, mTORet autophagie

31. AU FINAL Entraînement en force Entraînement en endurance Sports intermédiaires Besoin d ’une contraction lente qui résiste à la fatigue : + de fibres rouges Besoin d ’une contraction rapide et intense mais qui fatigue vite : + de fibres blanches

32. 4. En pratique: comment prévenir les phénomènes de protéolyse en situation pathologique ?

33. Sujet: Monsieur Prot, cycliste de haut niveau, fait une chute et se retrouve avec la jambe droite immobilisée pendant 3 semaines. Après lui avoir expliqué les mécanismes impliqués dans la protéolyse secondaire à son immobilisation, détailler quelques conseils pratiques qui pourraient lui être donnés afin de limiter l’atrophie. Discuter la différence qu’on peut faire avec la protéolyse induite par l’exercice Merci pour votre attention !!! « l'ATP rentre dans la cellule, se transforme en calcium puis sort des fibres pour faire des protéines »

34. Au cours d'efforts intenses, il a été rapporté une diminution des concentrations plasmatiques en acides aminés branchés (AAB). Une des conséquences de cette diminution des AAB est l’augmentation de la pénétration du tryptophane au travers de la barrière hémato-encéphalique. Il existe en effet une compétition entre les AAB et le tryptophane pour pénétrer au sein du système nerveux central. Ces acides aminés utilisent en effet le même transporteur. Le rapport des concentrations des tryptophanes libres/AAB participe donc au contrôle de l’entrée du Trp ou des AAB dans le système nerveux central. Une augmentation des valeurs de ce rapport, soit par augmentation de Trp libre, soit par diminution des AAB dans le plasma, favorise l’entrée du Trp dans le système nerveux central. Le tryptophane étant un précurseur métabolique de la sérotonine, son augmentation dans le système nerveux central se traduit par une élévation de sérotonine, un neuromédiateur fortement impliqué dans la survenue de la fatigue. Un apport en AAB au cours de l'exercice intense a donc des chances de diminuer la fatigue nerveuse centrale