Progress on the understanding of mitochondria function and reactive oxygen species production to exercise
Contribution à l'étude des effets de l'activité physique sur le fonctionnement mitochondrial et la production de radicaux libres - Etude sur mitochondries musculaires et hépatiques
Résumé
The aim of this work was to study hepatic and muscular mitochondria function in response to chronic or acute exercise. We have simultaneously studied the mitochondrial oxygen consumption and free radical production based on the H2O2 production with Amplex Red as a probe. We have shown that a single bout of exercise increases free radical production that was persistent for 2 hours in muscle while it was delayed in liver. This free radical production appears to be tolerated by the mitochondria through the antioxidant pool that remained unaffected. Measurements with specific substrates and inhibitors on the electron transport chain that are useful to functionally isolate the different respiratory complexes allowed us to determine specific sites of adaptations. In a second part, we tested the effect of moderate chronic exercise that induced increases in mitochondrial density in muscle and more originally in liver, along with functional adaptations. Muscle mitochondria seems to have a better efficiency to extract reduced equivalents from fatty acids through a process named metabolic slipping. Liver mitochondria displayed an enhanced oxidation yield in ADP-stimulated respiratory status with complex I substrates. Results suggest that the decrease in mitochondrial functioning is compensated by the increase in the tissue mitochondrial density, as shown by parallel increases in CS activity. The sites of ROS production appear to be tissue specific. In fact, exercise appears to affect mostly the H2O2 production from complex III in muscle mitochondria but complex I in liver mitochondria. The use of PGC-1α antisense oligonucleotides, in order to decrease the PGC-1α protein expression, doesn't affect mitochondrial biogenesis induced by endurance training in muscle but totally inhibit the training-induced mitochondrial biogenesis in liver. Functional adaptations (i.e. altered respiratory control and ROS production) linked to the absence of this protein seem to confirm the essential role of PGC-1α in tissue-specific mitochondrial adaptations to exercise. These results suggest that free radicals could play a role by feedback control of PGC-1α, on exercise-induced mitochondrial adaptations.
Le but de ce travail consistait à étudier les effets d'une activité physique modérée aiguë ou chronique sur le fonctionnement mitochondrial musculaire et hépatique. Nous avons étudié en parallèle la respiration mitochondriale et la production de ROS estimée par la mesure de l'H2O2 en présence de la sonde Amplex Red. Nous avons montré que l'exercice était à l'origine d'une augmentation de la production radicalaire et cela de façon persistante après 2h de récupération dans le muscle mais qui était décalée dans le foie. Cette production apparaît comme tolérée par la mitochondrie dont le statut antioxydant n'est pas affecté. Des mesures en présence de substrats et inhibiteurs spécifiques de la chaîne respiratoire mitochondriale, permettant d'isoler fonctionnellement les complexes de l'oxydation phosphorylante, nous ont permis de révéler des adaptations spécifiques des tissus. La deuxième partie du travail concernait l'étude de l'activité physique chronique modérée qui induit une augmentation de densité mitochondriale à la fois dans le muscle et le foie, associée à des adaptations fonctionnelles. La mitochondrie musculaire semble en effet plus efficace pour extraire des équivalents réduits en provenance des acides gras à travers un processus de slipping métabolique. La mitochondrie hépatique présente une amélioration de rendement d'oxydation en état phosphorylant à partir de substrats du complexe I. Les résultats suggèrent un fonctionnement diminué des mitochondries en réponse à l'exercice compensé par une augmentation du contenu en unités fonctionnelles. Les sites de production de ROS à l'exercice apparaissent tissu spécifique. En effet on observe que l'exercice modifie la production d'H2O2 à partir du complexe III dans le muscle et du I dans le foie. L'utilisation d'oligonucléotides antisens de PGC-1α, destinée à réprimer l'expression protéique de PGC-1α, n'a pas d'influence sur l'augmentation de densité mitochondriale induite par l'entraînement au niveau musculaire mais l'inhibe complètement dans le foie. Des adaptations fonctionnelles liées à l'absence de cette protéine régulatrice, passant par une perturbation de la respiration et de la production de ROS semblent confirmer un rôle majeur de PGC-1α dans les adaptations mitochondriales tissus spécifiques à l'exercice. Ces résultats suggèrent que les ROS pourraient contribuer par rétrocontrôle sur PGC-1α aux adaptations énergétiques induites par l'activité physique.