L'effet du sulforaphane sur la capacité antioxydante médiée par Nrf2 dans le muscle squelettique de souris exposées à une hypothermie aiguë
Le muscle squelettique est un organe important pour la production de chaleur dans le corps dans des conditions de basse température. Les muscles squelettiques maintiennent l'homéostasie de la température corporelle en produisant de la chaleur par frissons et sans frissons dans des environnements à basse température. Ce processus nécessite l'hydrolyse d'une grande quantité d'ATP pour convertir son énergie chimique en énergie thermique nécessaire à l'organisme. Le muscle squelettique répond principalement aux besoins de production de chaleur en augmentant le taux d'oxydation et de décomposition des acides gras dans les environnements à basse température, tandis que l'augmentation du taux d'oxydation des acides gras mitochondriaux s'accompagne d'une production accélérée d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). Des études antérieures ont montré qu'une exposition aiguë ou à long terme à des températures basses augmente le taux métabolique au repos et les niveaux de ROS dans le muscle squelettique des souris. L'augmentation des niveaux de ROS peut causer des dommages oxydatifs aux protéines, aux acides nucléiques et aux lipides du muscle squelettique, affectant ainsi la performance motrice et la récupération du muscle squelettique. Par conséquent, l'élimination en temps voulu des grandes quantités de ROS produites par les muscles squelettiques dans des environnements à basse température et l'amélioration de leur capacité antioxydante sont cruciales pour le maintien de leurs fonctions physiologiques normales.
Le système de défense antioxydant médié par le facteur 2 lié au facteur nucléaire E2 (Nrf2) joue un rôle crucial dans le maintien de l'homéostasie redox cellulaire. Lorsque les cellules sont soumises à un stress oxydatif, le Nrf2 dans le cytoplasme n'est pas ubiquité ou dégradé par sa protéine régulatrice négative, Kelch like cyclooxygenase related protein-1 (Keap1). Elle pénètre dans le noyau et se lie aux éléments de réponse antioxydants (ARE) sur de nombreux promoteurs de gènes, augmentant l'expression de la plupart des enzymes antioxydants et des enzymes de détoxification de phase II, et exerçant un effet protecteur contre le stress oxydatif dans l'organisme. Cependant, des études ont montré qu'une exposition aiguë ou à long terme à de basses températures réduit de manière significative l'expression de l'ARNm et de la protéine Nrf2 dans les tissus et organes du cœur, du foie et des poumons de souris, ce qui indique que les environnements à basse température peuvent inhiber l'expression de Nrf2 dans les tissus et les organes. Cependant, aucun rapport national ou international ne permet de savoir si l'exposition à l'hypothermie aiguë inhibe également l'expression de Nrf2 et la capacité antioxydante dans le muscle squelettique.

Le sulforaphane (SFN) est abondant dans les plantes crucifères et est reconnu comme un activateur spécifique de Nrf2. Par conséquent, cette étude tente d'abord d'observer les effets de l'exposition à l'hypothermie aiguë pendant différentes durées d'une heure et de trois heures sur l'expression de Nrf2 et des enzymes antioxydantes, ainsi que sur la capacité antioxydante, dans le muscle squelettique de la souris. En outre, sur cette base, les effets de l'administration de SFN avant l'exposition à basse température sur le système d'enzymes antioxydantes médié par Nrf2 et l'homéostasie redox du glutathion dans le muscle squelettique ont été explorés plus en détail. Cette étude fournira des preuves expérimentales préliminaires pour explorer la possibilité d'utiliser la SFN comme supplément nutritionnel pour les sportifs dans des environnements à basse température.

Nrf2 est un facteur de régulation essentiel qui maintient l'homéostasie redox du muscle squelettique. Des études antérieures ont rapporté que l'exposition à de basses températures inhibe l'expression du Nrf2 dans les tissus et les organes tels que le cœur, le foie et les poumons, ce qui entraîne une production importante de ROS dans ces organes qui ne peuvent pas être éliminés. Cependant, aucun rapport n'a été publié sur les effets de l'exposition à l'hypothermie aiguë sur l'expression de Nrf2 et la capacité antioxydante dans le muscle squelettique. C'est pourquoi cette étude a d'abord examiné les effets d'une exposition à basse température pendant 1 et 3 heures sur le système antioxydant médié par Nrf2 dans le muscle squelettique. Les résultats ont montré que le niveau de transcription de l'ARNm Nrf2 dans le muscle squelettique des souris exposées à 3 heures de basse température était significativement réduit, tandis que le niveau de ROS était significativement augmenté. Les résultats expérimentaux ultérieurs ont également montré que, par rapport au groupe PBS+Con, l'expression de la protéine Nrf2 dans le muscle squelettique des souris du groupe PBS+Froid présentait une tendance à la baisse, et que le niveau de T-AOC était significativement réduit, tandis que le niveau de ROS présentait une tendance à la hausse. On suppose que l'exposition à basse température pendant 3 heures peut inhiber l'expression de Nrf2 dans le muscle squelettique de la souris et réduire sa capacité antioxydante.

L'exposition à une température basse pendant 3 heures réduit la capacité antioxydante du muscle squelettique, ce qui peut être lié à l'inhibition de l'expression de l'enzyme antioxydante médiée par Nrf2 et à l'homéostasie redox du glutathion. Des études antérieures ont rapporté qu'une exposition à l'hypothermie aiguë pendant 3 heures peut réduire de manière significative l'expression de la SOD1 dans les reins, les tissus pulmonaires et le tissu adipeux brun de la souris. L'exposition intermittente à de basses températures (8 heures par jour pendant 3 jours) a réduit de manière significative l'activité GPX1 et l'expression de la protéine HMOX1 dans les tissus pulmonaires de rats. L'exposition à basse température à long terme (4 heures par jour, 6 jours par semaine, pendant 2 semaines au total) a réduit de manière significative l'activité de la SOD1 et l'expression de la protéine CAT dans le tissu cérébral de la souris. Cette étude a montré que, par rapport aux groupes 0 et 1 heure, les niveaux de transcription de l'ARNm des gènes des enzymes antioxydantes (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) dans le muscle squelettique des souris du groupe 3 heures étaient significativement réduits. Les résultats expérimentaux ultérieurs ont également montré que, par rapport au groupe PBS+Con, les niveaux de transcription de l'ARNm des gènes des enzymes antioxydantes (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) dans le muscle squelettique des souris du groupe PBS+Froid présentaient une tendance à la baisse, et que l'expression des protéines HMOX1 et CAT était significativement réduite. On peut en déduire que l'exposition à une basse température pendant 3 heures peut inhiber la transcription et la traduction des enzymes antioxydantes médiées par Nrf2, affectant ainsi la capacité antioxydante du muscle squelettique. En outre, des études ont montré qu'une exposition aiguë à basse température peut réduire la teneur en GSSG et le rapport GSH/GSSG dans les globules rouges humains, ainsi que la teneur en GSH dans les tissus du foie et de l'estomac des rats. Les résultats de cette étude ont montré que, par rapport au groupe PBS+Con, la teneur en GSSG du muscle squelettique et le rapport GSH/GSSG des souris du groupe PBS+Froid ont respectivement augmenté et diminué de manière significative, tandis que la teneur en GSH n'a pas changé de manière significative. Cela indique que l'accumulation de GSSG peut être la principale raison de la diminution du rapport GSH/GSSG.

L'effet d'activation spécifique de la SFN sur Nrf2 a été largement confirmé. Une étude a montré qu'une intervention diététique de 12 semaines de SFN activait le système enzymatique antioxydant régulé par Nrf2 dans le muscle extenseur du grand dorsal de souris âgées, améliorant ainsi la force musculaire et l'endurance à l'exercice. En outre, des rats ont reçu une injection intrapéritonéale de SFN trois jours avant un exercice d'épuisement, ce qui a entraîné une diminution de l'activité de la lactate déshydrogénase et de la créatine phosphokinase dans le plasma, ainsi qu'une augmentation de l'expression et de l'activité des protéines Nrf2 et des enzymes antioxydantes (NQO1, GST, GSR) dans le muscle latéral de la cuisse. Le temps et la distance entre l'exercice et l'épuisement ont également augmenté. Les résultats des recherches ci-dessus indiquent que l'activation de Nrf2 par la SFN joue un rôle important dans l'amélioration de sa capacité antioxydante médiée et de l'endurance à l'exercice. Par conséquent, pour améliorer la diminution de la capacité antioxydante du muscle squelettique pendant 3 heures d'exposition à basse température, nous avons supplémenté les souris avec de la SFN avant 3 heures d'exposition à basse température. Les résultats expérimentaux ont montré que, par rapport au groupe PBS+Froid, les souris du groupe SFN+Froid présentaient une augmentation significative de l'expression de l'ARNm et de la protéine Nrf2 dans le muscle squelettique, ainsi que de la T-AOC, et une diminution significative des niveaux de ROS. Rappel : L'activation de Nrf2 par la SFN peut augmenter le T-AOC du muscle squelettique exposé à une basse température pendant 3 heures, éliminer les ROS excessifs et avoir un effet positif sur le maintien de l'homéostasie redox du muscle squelettique.

La supplémentation en SFN renforce la capacité antioxydante du muscle squelettique chez les souris exposées à de basses températures, ce qui est étroitement lié à l'activation par la SFN du système d'enzymes antioxydantes médié par Nrf2. Les enzymes antioxydantes endogènes régulées par Nrf2 sont les principaux exécuteurs de l'élimination des ROS. Par exemple, SOD1 catalyse la dismutation des radicaux anions superoxydes pour générer de l'oxygène et du peroxyde d'hydrogène ; CAT peut dismuter le peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène ; GPX1 catalyse la génération d'eau et d'alcools correspondants à partir du peroxyde d'hydrogène ou de peroxydes organiques en utilisant le GSH comme substrat ; NQO1 catalyse la réaction de réduction à double électron de la quinone pour former de l'hydroquinone, favorise l'excrétion de la quinone et empêche la quinone de générer des ROS par une réaction de réduction à simple électron ; HMOX1 catalyse la décomposition de l'hémoglobine libre toxique pour produire de la biliverdine, du CO et des ions ferreux avec des fonctions de dommages antioxydants. Les résultats de cette étude ont montré que l'administration de la SFN avant 3 heures d'exposition à une température basse augmentait de manière significative les niveaux de transcription de l'ARNm des gènes des enzymes antioxydantes du muscle squelettique (Gpx1, Hmox1, Cat, Sod1, Nqo1) et l'expression protéique de HMOX1 et SOD1 chez les souris du groupe SFN+Froid par rapport à celles du groupe PBS+Froid. Les résultats ci-dessus indiquent que l'activation de Nrf2 par la SFN améliore la transcription et la traduction de ces gènes d'enzymes antioxydantes.

En outre, la supplémentation en SFN améliore la capacité antioxydante du muscle squelettique chez les souris exposées à de basses températures. Outre l'augmentation de l'expression des enzymes antioxydantes, ce phénomène est également étroitement lié à l'activation par la SFN du système d'oxydoréduction du glutathion médié par Nrf2. Le glutathion est un tripeptide composé d'acide glutamique, de cystéine et de glycine. Il s'agit d'un oligopeptide actif de petite taille qui joue un rôle important dans le système de défense antioxydant des organismes. Le glutathion existe principalement sous la forme de GSH dans les cellules. Le groupe thiol actif de la cystéine dans sa molécule peut fournir des électrons aux ROS, puis le GSH est converti en un dimère stable GSSG pour empêcher les ROS de s'emparer continuellement des électrons, protégeant ainsi les protéines, les lipides et les acides nucléiques des dommages oxydatifs et maintenant l'homéostasie redox des cellules. La production de GSH dans l'organisme se fait principalement par deux voies : la synthèse et la réduction. Tout d'abord, l'acide glutamique et la cystéine sont catalysés par GCLC et GCLM pour former la glutamylcystéine, puis la glutamylcystéine et la glycine sont catalysées par GSS pour former le GSH ; ensuite, le GSSG peut être réduit en GSH sous l'action du NADPH et du GSR. Par conséquent, Gclc, Gclm, Gss et Gsr sont des gènes d'enzymes clés qui régulent la production de GSH et sont des gènes cibles en aval de Nrf2. Nous avons constaté qu'après une supplémentation en SFN, les niveaux de transcription de l'ARNm des gènes de la glutathion synthase Gclm, Gss et Gsr dans le muscle squelettique des souris du groupe SFN+Froid étaient significativement plus élevés que dans le groupe PBS+Froid, et que les teneurs en GSH et en GSSG étaient significativement réduites. On suppose qu'il peut s'agir d'un stress aigu à basse température, et que la supplémentation en SFN peut améliorer la synthèse de novo et les voies de réduction du GSH. Cependant, le GSH joue un rôle important dans l'élimination d'une grande partie de la production de ROS causée par une exposition aiguë à basse température, ce qui conduit finalement à une consommation importante de GSH. L'indicateur clé de l'évaluation de l'équilibre redox de l'organisme, le rapport GSH/GSSG, montre que le rapport GSH/GSSG dans le groupe SFN+Froid est significativement plus élevé.

Globalement, cette étude indique que l'exposition à une hypothermie aiguë de 3 heures inhibe l'activité antioxydante médiée par le Nrf2. Avant l'exposition aux basses températures, l'administration de sulforaphane a activé les enzymes antioxydantes médiées par Nrf2 et les systèmes antioxydants du glutathion, améliorant ainsi la capacité antioxydante du muscle squelettique.