Une étude révèle les mécanismes moléculaires derrière l'hibernation chez les mammifères

Leurs recherches, sur les petits et grands mammifères en hibernation, sont décrites par les éditeurs comme une étude importante faisant progresser notre connaissance du rôle de la structure de la myosine et de la consommation d'énergie sur les mécanismes moléculaires de l'hibernation, appuyée par une méthodologie et des preuves solides. Les résultats suggèrent également que la myosine – un type de protéine motrice impliquée dans la contraction musculaire – joue un rôle dans la thermogenèse sans frissons pendant l'hibernation, où la chaleur est produite indépendamment de l'activité musculaire des frissons.

L'hibernation est une stratégie de survie utilisée par de nombreux animaux, caractérisée par un état de dormance profonde et de profondes réductions de l'activité métabolique, de la température corporelle, de la fréquence cardiaque et de la respiration. Pendant l'hibernation, les animaux dépendent des réserves d'énergie stockées, en particulier des graisses, pour maintenir leurs fonctions corporelles. Le ralentissement métabolique permet aux hibernateurs d’économiser de l’énergie et de supporter de longues périodes de pénurie de nourriture et de conditions environnementales difficiles pendant l’hiver. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à l’hibernation restent incomplètement compris.

Les petits mammifères en hibernation connaissent des épisodes prolongés d'un état hypométabolique appelé torpeur, qui diminue considérablement leur température corporelle et est ponctué de périodes spontanées d'éveils euthermiques entre les épisodes (IBA) – au cours desquels ils augmentent temporairement leur température corporelle pour restaurer certaines fonctions physiologiques, telles que comme éliminer le gaspillage et manger plus de nourriture. Cela contraste avec les mammifères plus grands, dont la température corporelle est beaucoup moins réduite pendant l'hibernation et reste assez constante. Le muscle squelettique, qui représente environ la moitié de la masse corporelle d'un mammifère, joue un rôle clé dans la détermination de sa production de chaleur et de sa consommation d'énergie.

“Jusqu'à récemment, on pensait que la consommation d'énergie des muscles squelettiques était principalement liée à l'activité de la myosine, impliquée dans la contraction musculaire. Cependant, il est de plus en plus évident que, même lorsqu'ils sont détendus, les muscles squelettiques utilisent encore une petite quantité d'énergie. énergie”, explique l'auteur principal Christopher Lewis, chercheur postdoctoral au Département des sciences biomédicales de l'Université de Copenhague, au Danemark. “Les têtes de myosine dans les muscles passifs peuvent être dans différents états de repos : l'état “désordonné-détendu”, ou DRX, et l'état “super détendu”, ou SRX. Les têtes de myosine dans l'état DRX utilisent l'ATP – la monnaie énergétique. de la cellule – entre cinq et dix fois plus rapides que ceux dans l'état SRX.

Lewis et ses collègues ont émis l'hypothèse que des changements dans la proportion de myosine dans les états DRX ou SRX pourraient contribuer à la réduction de la consommation d'énergie observée pendant l'hibernation. Pour tester cela, ils ont prélevé des échantillons de muscles squelettiques de deux petits hibernateurs – le spermophile à treize lignes et le loir des jardins – et de deux grands hibernateurs – l'ours noir et l'ours brun d'Amérique.

Premièrement, ils ont cherché à déterminer si les états de myosine et leurs taux de consommation respectifs d’ATP étaient différents entre les périodes d’activité et d’hibernation. Ils ont examiné les fibres musculaires prélevées sur les deux espèces d'ours pendant leur phase estivale active (SA) et leur période d'hibernation hivernale. Ils n’ont trouvé aucune différence dans la proportion de myosine à l’état DRX ou SRX entre les deux phases. Pour mesurer le taux de consommation d’ATP par la myosine, ils ont utilisé un test spécialisé appelé test de chasse Mant-ATP. Cela a révélé qu’il n’y avait également aucun changement dans les taux de consommation énergétique de la myosine. Cela pourrait permettre de prévenir l’apparition d’une fonte musculaire importante chez les ours pendant l’hibernation.

L'équipe a également mené le test de chasse Mant-ATP sur des échantillons prélevés sur les petits mammifères pendant la SA, l'IBA et la torpeur. Comme chez les plus grands hibernateurs, ils n’ont observé aucune différence dans le pourcentage de têtes de myosine dans la formation SRX ou DRX entre les trois phases. Cependant, ils ont découvert que le temps de renouvellement de l'ATP des molécules de myosine dans les deux formations était plus faible en phase IBA et en torpeur par rapport à la phase SA, conduisant à une augmentation globale inattendue de la consommation d'ATP.

Comme les petits mammifères subissent une baisse de température corporelle plus importante pendant l'hibernation que les grands mammifères, l'équipe a testé si cette augmentation inattendue de la consommation d'ATP se produisait également à une température plus basse. Ils ont réexécuté le test de chasse Mant-ATP à 8°C, par rapport à la température ambiante de laboratoire de 20°C utilisée précédemment. L'abaissement de la température a réduit les temps de renouvellement de l'ATP lié au DRX et au SRX dans SA et IBA, entraînant une augmentation de la consommation d'ATP. Il est bien connu que les organes métaboliques, tels que les muscles squelettiques, augmentent la température corporelle centrale en réponse à une exposition importante au froid, soit en provoquant des frissons, soit par une thermogenèse sans frissons. L'exposition au froid a provoqué une augmentation de la consommation d'ATP par la myosine dans les échantillons obtenus au cours de l'AS et de l'IBA, ce qui suggère que la myosine pourrait contribuer à la thermogenèse sans frissons chez les petits hibernateurs.

L’équipe n’a pas observé de changements induits par le froid dans la consommation d’énergie de la myosine dans les échantillons obtenus pendant la torpeur. Ils suggèrent qu’il s’agit probablement d’un mécanisme de protection visant à maintenir la température corporelle basse et à un arrêt métabolique plus large, observé pendant la torpeur.

Enfin, les chercheurs ont voulu comprendre les changements qui se produisent au niveau des protéines lors des différentes phases d'hibernation. Ils ont évalué si l’hibernation affecte la structure de deux protéines de myosine du spermophile à treize lignes : Myh7 et Myh2. Bien qu’ils n’aient observé aucun changement lié à l’hibernation dans la structure de Myh7, ils ont découvert que Myh2 subissait une phosphorylation significative – un processus crucial pour le stockage d’énergie – pendant la torpeur, par rapport à SA et IBA. Ils ont également analysé la structure des deux protéines chez l'ours brun, ne trouvant aucune différence structurelle entre l'AS et l'hibernation. Ils concluent donc que l'hyperphosphorylation de Myh2 est spécifiquement associée à la torpeur, plutôt qu'à l'hibernation en général, et proposent que cela serve à augmenter la stabilité de la myosine chez les petits mammifères. Cela pourrait agir comme un mécanisme moléculaire potentiel pour atténuer les augmentations de la dépense musculaire squelettique associées à la myosine en réponse à une exposition au froid pendant les périodes de torpeur.

Les éditeurs d'eLife notent que certains domaines de l'étude méritent une étude plus approfondie. À savoir, les échantillons musculaires ont été prélevés exclusivement sur les pattes des animaux étudiés. Étant donné que le corps et les membres ont des températures différentes, l'étude d'échantillons musculaires provenant d'autres zones du corps permettrait de valider davantage les découvertes de l'équipe.

“Au total, nos résultats suggèrent que les adaptations du renouvellement de l'ATP dans les états de myosine DRX et SRX se produisent chez les petits mammifères comme le spermophile à treize lignes pendant l'hibernation dans des environnements froids. En revanche, les mammifères plus grands comme l'ours noir américain ne présentent aucun changement de ce type, probablement en raison à leur température corporelle stable pendant l'hibernation”, conclut l'auteur principal Julien Ochala, professeur agrégé au Département des sciences biomédicales de l'Université de Copenhague. “Nos résultats suggèrent également que la myosine pourrait contribuer à la thermogenèse sans frissons des muscles squelettiques pendant l'hibernation.”