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Gastroentérologie Clinique et Biologique
Vol 24, N° 3  - mai 2000
pp. 349-358
Doi : GCB-03-2000-24-3-0399-8320-101019-ART14
Vieillissement, alcool et mitochondries
 

Mise au point

Gastroentérologie clinique & biologique2000; 24: 349-358
© Masson, Paris, 2000

Bernard Fromenty (1), Abdellah Mansouri (1), Françoise Degoul (1), Christine Demeilliers (1), Isabelle Gaou (1), Dominique Pessayre (1)

(1)INSERM U481 et Centre Claude-Bernard sur les Hépatites Virales, Hôpital Beaujon, Clichy.

  • GÉNOME MITOCHONDRIAL ET PHOSPHORYLATION OXYDATIVE
    • ADN mitochondrial
    • Transfert des électrons dans la chaîne respiratoire mitochondriale
    • Potentiel de membrane mitochondrial
    • Synthèse mitochondriale d'ATP
  • MITOCHONDRIES ET ESPÈCES RÉACTIVES DE L'OXYGÈNE
    • Production d'espèces réactives de l'oxygène par la mitochondrie
    • Détoxication des espèces réactives de l'oxygène par la mitochondrie
  • MITOCHONDRIES ET VIEILLISSEMENT
    • Théorie mitochondriale du vieillissement
    • Altération du génome mitochondrial au cours du vieillissement
    • Altérations fonctionnelles et structurales des mitochondries au cours du vieillissement
    • Possibilité de vieillissement accéléré du génome mitochondrial
  • ALCOOL, ESPÈCES RÉACTIVES DE L'OXYGÈNE ET MITOCHONDRIES
    • Alcool et stress oxydant
    • Dégradation du génome mitochondrial après une cuite chez la souris
    • Mutations de l'ADN mitochondrial chez l'alcoolique
    • Effets de l'alcool sur la fonction mitochondriale
  • ALCOOL, ESPÈCES RÉACTIVES DE L'OXYGÈNE ET LÉSIONS HÉPATIQUES ALCOOLIQUES
    • Stéatose microvésiculaire
    • Hépatite alcoolique et cirrhose
  • CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Mots clés : ADN. , Alcool. , Alcoolisme. , Apoptose. , Cytokines. , Hépatite. , Hépatotoxicité. , Mitochondrie. , Mutations. , Peroxydation. , Stéatose. , Stress oxydant. , Transition de perméabilité. , Vieillissement.

  • Ageing, alcohol and mitochondria

  • MITOCHONDRIAL GENOME AND OXIDATIVE PHOSPHORYLATION
    • Mitochondrial DNA
    • Electronic transfer within the respiratory chain
    • Mitochondrial membrane potential
    • Mitochondrial ATP synthesis
  • MITOCHONDRIA AND REACTIVE OXYGEN SPECIES
    • Mitochondrial production of reactive oxygen species
    • Detoxication of reactive oxygen species within the mitochondria
  • MITOCHONDRIA AND AGING
    • Mitochondrial theory of ageing
    • Mitochondrial DNA damage during the ageing process
    • Functional and structural damage to mitochondria during ageing
    • Possible premature ageing of the mitochondrial genome
  • ALCOHOL, REACTIVE OXYGEN SPECIES AND MITOCHONDRIA
    • Alcohol and oxidative stress
    • Mitochondrial DNA degradation after an alcoholic binge in mice
    • Mutations of the mitochondrial genome in alcoholic patients
    • Effects of alcohol on mitochondrial function
  • ALCOHOL, REACTIVE OXYGEN SPECIES AND ALCOHOL-INDUCED LIVER LESIONS
    • Microvesicular steatosis
    • Alcoholic hepatitis and cirrhosis
  • CONCLUSIONS AND PROSPECTS

Key words : Ageing. , Alcohol. , Alcoholism. , Apoptosis. , Cytokines. , DNA. , Hepatitis. , Hepatotoxicity. , Mitochondria. , Mutations. , Oxidative stress. , Permeability transition. , Peroxidation. , Steatosis.


Bien qu'une consommation faible d'alcool, en particulier sous forme de vin rouge (qui contient des anti-oxydants naturels), semble bénéfique à la santé (en diminuant notamment le risque de maladie coronarienne), l'abus d'alcool est, au contraire, responsable de diverses pathologies tissulaires : nerveuses, cardiaques, musculaires, pancréatiques et, surtout, hépatiques.

SUPPORT FINANCIER : Certains des travaux originaux cités dans cette revue ont bénéficiés, en partie, d'une aide financière de l'IREB (Institut de Recherches Scientifiques sur les Boissons).

En dépit (ou à cause) d'une littérature abondante, les mécanismes des lésions tissulaires alcooliques restent mal compris. D'innombrables effets métaboliques, toxiques et immunologiques de l'éthanol, de ses métabolites, ou de la stéatose ont été décrits, affectant diverses fonctions, régulations et structures cellulaires. Cette complexité gêne une compréhension claire des mécanismes principaux impliqués dans la survenue de lésions tissulaires chez l'alcoolique.

Au cours des dernières années, cependant, des données nouvelles sur le vieillissement oxydatif normal de l'ADN mitochondrial (ADNmt) et les effets de l'éthanol sur la formation d'espèces réactives de l'oxygène (EROs) semblent éclairer d'un jour nouveau le mécanisme de ces lésions alcooliques. Une formation accrue d'EROs chez l'alcoolique pourrait, d'une part engendrer un vieillissement prématuré de l'ADNmt et des fonctions mitochondriales, contribuant à la stéatose alcoolique, et, d'autre part déclencher, chez certains sujets, le développement progressif de lésions alcooliques chroniques, par la conjonction d'un effet possible sur la transition de perméabilité mitochondriale, d'une peroxydation démontrée des graisses accumulées et d'une production accrue de cytokines.

L'objet de cette mise au point est, en premier lieu, de rappeler le rôle des mitochondries comme génératrices et cibles des EROs au cours du processus de vieillissement normal et, en second lieu, de présenter les arguments expérimentaux et cliniques indiquant le rôle majeur d'une production accrue d'EROs dans le vieillissement accéléré des fonctions mitochondriales et la survenue de lésions hépatiques chez l'alcoolique.

Génome mitochondrial et phosphorylation oxydative

Les mitochondries sont des organelles cellulaires entourées de deux membranes : une membrane interne entourant la matrice mitochondriale et une membrane externe délimitant l'espace intermembranaire. Les mitochondries assurent l'essentiel de la production énergétique de la cellule, grâce à la chaîne respiratoire, associée à la membrane interne.

Les mitochondries sont dérivées de bactéries endosymbiotiques. Bien que la plupart des gènes bactériens aient été transférés au génome nucléaire de l'hôte, les mitochondries ont cependant conservé un génome propre, localisé dans la matrice mitochondriale et codant pour certaines des protéines de la chaîne respiratoire.

ADN mitochondrial

L'ADNmt est un ADN de petite taille (environ 16 kb), bicaténaire et circulaire, qui est présent à plusieurs centaines ou milliers de copies dans chaque cellule. En effet, il y a plusieurs copies d'ADNmt dans chaque mitochondrie, et des centaines de mitochondries par cellule. Normalement, ces copies ont toutes la même séquence, une homogénéité décrite sous le terme d'« homoplasmie ». Dans diverses conditions, cependant, une proportion variable de molécules d'ADNmt présente des mutations et l'on parle alors d'« hétéroplasmie » [1, 2]. Ces mutations peuvent être acquises (lors de la génération des ovocytes ou de l'embryon ou lors du vieillissement) ou peuvent être, au contraire, transmises par la mère, mais jamais par le père. En effet, l'ADNmt est exclusivement d'origine maternelle, les copies d'ADNmt provenant du père étant détruites après fécondation de l'oeuf par le spermatozoïde, et seules les mitochondries maternelles subissent une expansion clonale chez le foetus.

La réplication de l'ADNmt est dépendante de la polymérase g, qui est exclusivement localisée dans la mitochondrie. Lors de sa réplication, l'ADNmt, qui est normalement sous forme superenroulée, est d'abord transformé en molécule circulaire relachée, une forme topologique plus favorable à la synthèse d'ADN par la machinerie réplicative. Le génome mitochondrial se réplique même dans les cellules qui ne se divisent pas, car les mitochondries sont lentement renouvelées dans les cellules.

Le génome mitochondrial code pour 13 des protéines de la phosphorylation oxydative, ainsi que pour les 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomaux nécessaires à la synthèse de ces polypeptides dans la mitochondrie. Le génome mitochondrial est caractérisé par l'absence quasi-complète d'introns. La grande majorité de ce génome est impliquée dans la synthèse d'ARN messagers, d'ARN ribosomaux ou d'ARN de transfert, et toute mutation délétère apparaissant dans ces séquences peut altérer la synthèse protéique.

Les quelque 80 autres polypeptides de la chaîne respiratoire sont codés par le génome nucléaire. Ces polypeptides sont synthétisés dans le cytoplasme, puis importés dans les mitochondries et insérés dans la membrane mitochondriale interne, à l'exception du cytochrome c qui est localisé dans l'espace intermembranaire et est faiblement associé avec la membrane interne [3]. Toutes les protéines impliquées dans la réplication, la transcription, la réparation et la stabilité du génome mitochondrial sont également codées par le génome nucléaire et importées dans la matrice mitochondriale. Les nombreuses protéines assurant les divers autres métabolismes mitochondriaux (b-oxydation, cycle de Krebs, cycle de l'urée) sont semblablement codées par le génome nucléaire et secondairement importées dans la matrice ou les membranes mitochondriales.

Des mutations du génome nucléaire ou du génome mitochondrial peuvent diminuer la synthèse des polypeptides de la chaîne respiratoire et entraîner des maladies regroupées sous le terme de cytopathies mitochondriales [3, 4]. Ces maladies sévères sont dues à un défaut de la production d'énergie dans la mitochondrie.

Transfert des électrons dans la chaîne respiratoire mitochondriale

Le NADH et le FADH2 générés par la b-oxydation des acides gras et le cycle de Krebs transfèrent leurs électrons à la chaîne respiratoire, régénérant ainsi les cofacteurs oxydés (NAD+ et FAD) nécessaires à la poursuite de nouveaux cycles de ces voies métaboliques.

La chaîne respiratoire mitochondriale proprement dite est constituée de quatre complexes multiprotéiques, numérotés de I à IV. Les électrons provenant du NADH et du FADH2 sont initialement transférés, respectivement au complexe I et au complexe II. Les électrons sont alors transférés successivement au coenzyme Q, puis au complexe III, au cytochrome c, et enfin au complexe IV (cytochrome c oxydase), où ils se combinent avec l'oxygène et des protons pour former de l'eau. Le transfert des électrons le long de la chaîne respiratoire mitochondriale permet la constitution du potentiel de membrane mitochondrial nécessaire à la synthèse d'ATP [2].

Potentiel de membrane mitochondrial

Au niveau de trois sites dits « de couplage » (complexes I, III et IV), le transfert des électrons le long de la chaîne respiratoire est couplé à l'éjection de protons (issus des cofacteurs réduits) depuis la matrice mitochondriale jusqu'à l'espace intermembranaire. Ce transfert de protons crée un important potentiel électrochimique de part et d'autre de la membrane interne mitochondriale [2]. La génération de ce potentiel est indispensable, non seulement à la synthèse d'ATP (cf. infra), mais aussi à l'importation de certaines préprotéines dans la mitochondrie et à des échanges ioniques (K+, Ca2+) à travers la membrane mitochondriale interne.

Une chute importante du potentiel de membrane mitochondrial, quelle qu'en soit l'origine, abolit la synthèse d'ATP [5] et entraîne une nécrose cellulaire [6]. Par ailleurs, la baisse du potentiel de membrane est l'un des multiples signaux susceptibles d'activer l'ouverture du pore dit de transition de perméabilité mitochondriale [7, 8]. Ce pore est également ouvert par le calcium, les EROs, ou l'activation des caspases et de BID par certaines cytokines. L'ouverture de ce pore engage l'hépatocyte soit vers l'apoptose soit vers la nécrose, selon l'état énergétique résiduel [8, 9, 10].

Synthèse mitochondriale d'ATP

Le potentiel électrochimique de la membrane mitochondriale interne représente une énergie potentielle qui est utilisée secondairement pour synthétiser l'ATP. Cette synthèse est effectuée par le complexe V de la « chaîne respiratoire » (ce dernier terme étant alors utilisé au sens large). Ce complexe V, encore appelé ATP synthase, est constitué de deux sous-unités, F0 et F1. La sous-unité F0 constitue un canal à protons enchassé dans la membrane interne mitochondriale. La ré-entrée de protons à travers ce canal libère de l'énergie, qui est utilisée par la sous unité F1 de l'ATP synthase pour phosphoryler l'ADP en ATP [2].

Tous les tissus n'ont pas les mêmes capacités de phosphorylation oxydative. Pour certains d'entre eux, la glycolyse anaérobie est une source importante ou exclusive d'énergie (globules rouges, par exemple). Au contraire, la synthèse mitochondriale d'ATP est indispensable pour maintenir les fonctions cellulaires du foie, du coeur, du muscle, du cerveau, des nerfs et des reins. Dans ces organes, une réduction majeure de la phosphorylation oxydative entraîne un dysfonctionnement cellulaire sévère (se traduisant par des manifestations cliniques polymorphes), et au niveau hépatique peut survenir une nécrose tissulaire suivie de fibrose [2, 6, 10, 11].

Mitochondries et espèces réactives de l'oxygène

Production d'espèces réactives de l'oxygène par la mitochondrie

Bien que la majorité des électrons transférés à la chaîne respiratoire migre tout le long de la chaîne respiratoire, jusqu'à la cytochrome c oxydase, où ils réagissent sans danger avec l'oxygène et des protons pour former de l'eau, une partie des électrons, cependant, réagit, plus en amont, avec l'oxygène pour former l'anion superoxyde et diverses EROs. Cette production d'anion superoxyde se fait principalement au niveau des complexes I et III de la chaîne respiratoire. Il est maintenant admis que les mitochondries sont la principale source endogène d'EROs dans les cellules [12, 13]. Il a été estimé que 1 à 4 % de l'oxygène utilisé au niveau de la mitochondrie est transformé en EROs et qu'une seule mitochondrie produit 10 millions de radicaux superoxydes par jour [14]. Le prix à payer pour l'énergie que nous donne la phosphorylation oxydative mitochondriale est donc une formation importante d'EROs menaçant l'intégrité des constituants cellulaires.

Détoxication des espèces réactives de l'oxygène par la mitochondrie

Une telle production d'EROs ne pourrait être compatible avec la vie, même brève, sans la présence dans la mitochondrie d'enzymes de détoxication. L'anion superoxyde est d'abord dismuté en peroxyde d'hydrogène par la superoxyde dismutase à manganèse (Mn-SOD), une enzyme localisée dans la matrice mitochondriale. La MnSOD joue un rôle majeur dans la lutte antioxydante. Son inactivation par recombinaison homologue entraîne des lésions de plusieurs organes, y compris le foie, chez la souris [15, 16]. Le peroxyde d'hydrogène (ou eau oxygénée) généré par la Mn-SOD est ensuite dégradé en eau grâce à la glutathion peroxydase mitochondriale, avec oxydation concomitante du glutathion réduit (GSH) mitochondrial en glutathion oxydé (GSSG). Ce dernier est finalement réduit par le NADPH et la glutathion réductase, régénérant ainsi le GSH nécessaire à la poursuite de l'activité de la glutathion peroxydase. La glutathion peroxydase joue également un rôle indispensable dans la neutralisation du peroxyde d'hydrogène dans le foie, car il n'y a pas de catalase dans les mitochondries hépatiques [17].

Pour être protecteur, ce système nécessite absolument que l'eau oxygénée formée par la Mn-SOD soit immédiatement détoxifiée par la glutathion peroxydase. En effet, le peroxyde d'hydrogène, s'il n'est pas dégradé par la glutathion peroxydase, peut former le radical hydroxyle par la réaction de Fenton catalysée par le Fe2+ ou le Cu+. Du fait de la forte réactivité du radical hydroxyle avec les macromolécules (lipides, protéines, et ADN), toute augmentation du peroxyde d'hydrogène et/ou de métal catalytique (fer ou cuivre) a des conséquences toxiques sur les fonctions mitochondriales. Des lésions oxydatives des mitochondries sont observées dans les maladies de Friedreich [18] ou de Wilson [19], caractérisées, respectivement, par une accumulation de fer et de cuivre dans la mitochondrie.

Mitochondries et vieillissement

Théorie mitochondriale du vieillissement

Le vieillissement est un phénomène complexe et encore mal compris. Plusieurs théories, non mutuellement exclusives, ont été suggérées. L'une de ces théories, proposée par Denham Harman il y a plus de quarante ans, postule que le vieillissement est la conséquence d'une altération progressive des constituants cellulaires sous l'effet des radicaux libres et des EROs [20]. Au cours de la dernière décennie, la mitochondrie a été placée au centre de cette théorie « radicalaire » du vieillissement après qu'il a été compris que la chaîne respiratoire mitochondriale assure l'essentiel de la formation d'EROs dans la cellule [12, 13].

Les principaux arguments en faveur de cette théorie mitochondriale du vieillissement sont les suivants

  1. la longévité des espèces animales est inversement corrélée à l'activité métabolique de ces espèces et à la production d'EROs par leurs mitochondries [12] ;
  2. une restriction calorique a pour conséquence une baisse du métabolisme basal, une moindre production d'EROs par les mitochondries, une diminution des altérations oxydatives cellulaires et une augmentation de la durée de vie des animaux [12, 21] ;
  3. la surexpression de la superoxyde dismutase à Cu-Zn et de la catalase, deux enzymes impliquées respectivement dans l'élimination de l'anion superoxyde et du peroxyde d'hydrogène, retarde l'apparition des altérations oxydatives et allonge la durée de vie chez la drosophile transgénique [22] ;
  4. des travaux réalisés chez l'homme sur des pathologies associées à un vieillissement prématuré (syndrome de Werner ou trisomie 21) suggèrent l'implication d'une altération des capacités cellulaires d'élimination des EROs ou de réparation des lésions oxydatives de l'ADN [23].

Altérations du génome mitochondrial au cours du vieillissement

Au cours du viellissement, les mitochondries sont à la fois sources et cibles des EROs. L'ADNmt accumule 16 fois plus de 8-hydroxydésoxyguanosine (8-OH-dG), une base oxydée, que l'ADN nucléaire [24]. Cette sensibilité particulière au stress oxydant de l'ADNmt a été confirmée par diverses autres études [25, 26]. Cette oxydation préférentielle pourrait être la conséquence de l'absence de protection de l'ADNmt par les histones et, surtout, de la proximité de cet ADN avec la chaîne respiratoire. Lors de certaines étapes de son cycle réplicatif, le génome mitochondrial pourrait même être attaché à la membrane mitochondriale interne, et donc en contact immédiat avec la source principale d'EROs dans la cellule [2]. Certaines de ces espèces, comme le radical hydroxyle, ont une très forte réactivité et une demi-vie brève, de sorte que les constituants situés à proximité sont sélectivement oxydés.

Bien que certains systèmes de réparation de l'ADN soient absents dans la mitochondrie, la réparation des lésions oxydatives semble y être aussi efficace que dans le noyau [27]. De ce fait, dans leur grande majorité, les lésions oxydatives de l'ADNmt sont efficacement réparées, ou remplacées par la synthèse de novo de nouvelles molécules d'ADNmt sans entraîner de mutations. Cependant, la répétition quotidienne de ces lésions tout au long de la vie augmente fortement la probabilité qu'une lésion oxydative d'une base nucléique aboutisse un jour à une mutation ponctuelle, ou qu'une cassure de l'ADNmt entraîne une délétion du génome mitochondrial.

Dans de nombreuses espèces animales incluant l'homme, l'ADNmt accumule effectivement diverses mutations hétéroplasmiques au cours du vieillissement. A l'opposé des cytopathies mitochondriales où, habituellement, une seule mutation de l'ADNmt est observée, au contraire, le vieillissement est caractérisé par la présence simultanée de multiples mutations de ce génome, incluant diverses mutations ponctuelles et diverses délétions [28, 29]. Bien que l'on ait longtemps pensé que ces mutations liées au vieillissement n'impliquaient qu'une faible proportion de l'ADNmt, il a été récemment montré que le pourcentage de certaines mutations ponctuelles pouvait atteindre jusqu'à 50 % des copies du génome mitochondrial, au moins dans une région non-codante permettant probablement une accumulation de mutations sans conséquences délétères notables [30].

Ces délétions et mutations ponctuelles s'accumulent tout particulièrement dans les tissus ayant à la fois une forte activité métabolique et une absence de division cellulaire, comme le cerveau, le coeur ou les muscles squelettiques [31, 32]. Malgré une importante activité métabolique, le foie accumule une moindre proportion de mutations que les muscles ou le cerveau chez l'homme [31, 33]. Des différences de protection antioxydante et/ou de réparation de l'ADNmt pourraient être envisagées. Il est tentant de suggérer, cependant, que le renouvellement régulier des hépatocytes puisse permettre une élimination partielle des génomes mutés. Les cellules dont l'ADNmt est très endommagé pourraient ne pas se diviser et/ou subir une apoptose préférentielle, en sorte que les génomes mutés seraient en partie éliminés. Cet équilibre entre apparition et élimination des mutations pourrait maintenir un niveau plus faible de mutations délétères dans les organes dont les cellules se renouvellent par rapport aux organes dont les cellules ne sont pas éliminées.

Un même mécanisme de sélection pourrait « purifier » l'ADNmt au cours de l'embryogenèse. Sur les 100 000 génomes mitochondriaux de l'ovocyte fécondé, seulement un nombre limité (1 à 10) est amplifié dans le foetus. Ce goulet d'étranglement semble conduire à une amplification sélective des génomes mitochondriaux non altérés. En effet, les mutations et les lésions oxydatives de l'ADNmt de l'adulte ne sont pas retrouvées chez les nouveau-nés (ou sont détectées en très faible proportion), et s'accumulent ensuite progressivement au cours de la vie. C'est le cas des 8-OH-dG, des délétions et de quelques mutations ponctuelles pour lesquelles une accumulation exponentielle a été décrite au cours du vieillissement [33].

Cette accumulation exponentielle pourrait s'expliquer par un cercle vicieux, où les mutations précédemment accumulées augmenteraient la formation mitochondriale d'EROs et donc l'apparition de nouvelles mutations. En effet, lorsque l'accumulation de mutations de l'ADNmt finit par affecter un pourcentage important des copies d'ADNmt, cela a pour conséquence une diminution de la synthèse des polypeptides de la chaîne respiratoire codés par le génome mitochondrial, bloquant ainsi le transfert des électrons dans la chaîne respiratoire. Les composants de la chaîne situés plus en amont sont alors exagérément réduits et transfèrent directement leurs électrons à l'oxygène moléculaire, augmentant ainsi la formation basale d'EROs. Une majoration de la production mitochondriale d'EROs est effectivement observée lorsque le flux électronique est bloqué dans la chaîne respiratoire, au cours des cytopathies mitochondriales [34] ou en présence d'inhibiteurs de la chaîne respiratoire [35].

Outre ces lésions oxydatives aiguës et ces mutations, des variations de la quantité d'ADNmt ont été rapportées au cours du vieillissement, avec cependant des résultats divergents. Alors que certains travaux rapportent une diminution progressive mais modérée de la quantité d'ADNmt dans différents tissus dont le foie [36, 37], au contraire, d'autres études concluent à une augmentation compensatoire du nombre de copies d'ADNmt par cellule [38]. Deux mécanismes ayant des effets opposés pourraient expliquer ces contradictions apparentes. D'une part, des endonucléases pourraient dégrader rapidement les molécules d'ADNmt présentant des lésions oxydatives sévères (multiples base