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Le large éventail de caractéristiques fonctionnelles du muscle est rendu possible par l'existence de types de fibres différant les uns des autres de par leur contenu en isoformes de protéines contractiles et métaboliques. De nombreux systèmes de classification ont été élaborés, décrivant les caractéristiques physiques, architecturales ou métaboliques du muscle. Il apparaît cependant que ces caractéristiques s'assemblent en modules plus ou moins indépendants, rendant impossible le développement d'une classification générale des types de fibres musculaires. La découverte de certains des mécanismes permettant au muscle de s'adapter à l'entraînement ou à d'autres changements ouvre de nouvelles perspectives d'interventions concernant aussi bien les performances sportives que le maintien d'une musculature adéquate chez les patients.
Le tissu musculaire constitue plus de la moitié de la masse corporelle de la plupart des mammifères. Il joue non seulement un rôle dans le développement des activités motrices émotionnelles et volontaires ainsi que de la locomotion requise par le mode de vie des organismes supérieurs mais est également impliqué dans plusieurs autres fonctions, comme la thermorégulation et le métabolisme en général. Le muscle de mammifère présente une grande variabilité de caractéristiques fonctionnelles, comme sa vitesse de contraction, son type de métabolisme énergétique et sa résistance à la fatigue. De plus, il montre une plasticité élevée, correspondant à la capacité des fibres musculaires à procéder à des changements cyto-architecturaux ainsi que de contenu en isoformes de protéines spécifiques du muscle en réponse à des changements de types et de taux d'activités.
Il est possible de distinguer macroscopiquement deux types de muscles striés squelettiques chez les vertébrés en fonction de leur couleur : le muscle le plus clair se contractant plus rapidement et le plus foncé se contractant plus lentement. Cette observation délimite deux grandes classes de muscles : les muscles composés de fibres dites lentes (fibres de type I : cf. ci-dessous) et rapides (fibres de type II).1 Chez l'humain, au contraire d'autres espèces, la séparation anatomique des différents types de fibres n'est pas clairement délimitée et bien que certains muscles soient plutôt de tendance rapide ou lente, plusieurs types de fibres coexistent au sein d'un même muscle (figure 1A). Les fibres lentes se distinguent macroscopiquement des fibres rapides par leur diamètre plus petit ainsi que par leur capacité oxydative plus grande, se traduisant par un nombre de mitochondries plus important (figure 1B).
Historiquement, un grand nombre de classifications, basées sur le contenu musculaire en protéines contractiles ou le métabolisme, ont été proposées pour rendre compte de l'hétérogénéité structurelle et fonctionnelle du muscle, mais seul un petit nombre d'entre elles ont été largement appliquées.2 De plus, aucune, actuellement, n'arrive à rendre compte de manière satisfaisante de la complexité du tissu musculaire et il n'est pas possible d'établir de manière consistante une corrélation entre les différentes approches utilisées. La multiplicité des systèmes de classification ainsi que le chevauchement partiel des termes constituant leur nomenclature compliquent fortement l'analyse des données de la littérature et rendent nécessaire la prise en compte de la méthodologie utilisée afin de pouvoir en tirer des conclusions valides.
A ce jour, les méthodes les plus utilisées en matière de délinéation de types de fibres musculaires se basent sur la détermination des profils spécifiques d'isoformes de myosine et plus particulièrement de chaînes lourdes de myosine (MyHC : Myosin Heavy Chains).
Une technique largement répandue consiste à mesurer l'activité ATPase des fibres musculaires sur coupes histologiques en analysant l'intensité de la coloration des fibres individuelles par précipitation, ATPase dépendante, d'un composé pigmenté. De cette manière, il est possible de mettre en évidence une relation inversement proportionnelle entre vitesse de contraction et activité ATPase, les fibres lentes étant les plus actives (figure 1C).3 La sensibilité au pH 4,5 ainsi qu'au formaldéhyde 6 de l'activité ATPase a permis de subdiviser cette classification initiale en plusieurs sous-types de fibres, dont trois principaux : I, IIA et IIB ainsi que plusieurs intermédiaires : IC, IIC, IIAC et IIAB (figure 2). Il faut noter néanmoins que cette méthode basée sur l'activité enzymatique globale des fibres analysées ne permet pas de se prononcer de manière précise sur leur contenu en protéines contractiles spécifiques.
L'électrophorèse d'extraits musculaires permet de séparer les différentes isoformes de protéines musculaires en fonction de leur taille. Le site de l'activité ATPase se trouvant sur la partie globulaire de la chaîne lourde de myosine, le lien entre activité ATPase et isoformes de MyHC isolées par électrophorèse a abouti, par analogie de nomenclature, à la définition des isoformes MyHC Ib/s (b dans le muscle cardiaque, s dans le muscle lent slow), ainsi que MyHC IIa et IIb 7 et plus tardivement MyHC IId/x (isolée indépendamment dans différentes espèces, d'où cette nomenclature chargée),8 qui constituent les isoformes majeures du muscle strié squelettique adulte. Les types de fibres intermédiaires, définis par activité ATPase, correspondent à des fibres exprimant des mélanges de ces isoformes.9 Il est à noter cependant qu'une variabilité entre espèces existe et que chez l'homme, la présence de l'isoforme MyHC IIb n'a pas été mise en évidence à ce jour bien que le gène soit présent dans le génome humain. Les fibres marquées comme type IIB de par leur activité ATPase contiennent donc en fait l'isoforme MyHC IId/x.10 De plus, d'autres isoformes (embryonnaire, néonatale, extraoculaire) existent et sont exprimées transitoirement durant le développement et la régénération musculaire ainsi que dans certains muscles spécifiques.11 De par sa nature quantitative ainsi que par les relations connues entre : 1) isoforme de myosine ; 2) vitesse de contraction (MyHC I l MyHC IIa l MyHC IId/x) et 3) taux d'hydrolyse de l'ATP, l'identification des isoformes de MyHC par électrophorèse de fibres isolées représente probablement la meilleure méthode en matière de délinéation de fibres musculaires dans le domaine de la recherche fondamentale.
Il est possible de différencier les fibres lentes des fibres rapides au moyen de tests quantifiant les activités d'enzymes reliées au métabolisme oxydatif (fibres de type I) ou glycolytique (fibres de type II). Par analogie avec la méthode de classification au moyen de l'activité ATPase des MyHC, de nombreux efforts ont été déployés pour tenter de déterminer des sous-types de fibres en termes métaboliques.2 Une classification restreinte, pratique, permet de distinguer :1) des fibres lentes oxydatives (SO pour Slow twitch Oxydative) ; 2) des fibres rapides oxydatives et glycolytiques (FOG pour Fast twitch Oxydative Glycolytic), ainsi que 3) des fibres rapides glycolytiques (FG pour Fast Glycolytic), ces dernières étant les plus rapides.12 Il faut noter que la distinction de deux types métaboliques de fibres rapides ne représente pas une réalité absolue en termes d'activités enzymatiques. Il s'agit en effet plutôt d'une tendance observable et le niveau absolu d'activité de chaque type d'enzyme est assez élevé pour permettre le déroulement des deux types de métabolismes dans tous les types de fibres.13 De plus, il n'a pas été possible de corréler strictement les sous-types métaboliques de fibres rapides avec les isoformes rapides de MyHC, les profils enzymatiques de fibres isolées et typées par électrophorèse se chevauchant (figure 2).2 Il n'existe en outre actuellement pas de consensus en ce qui concerne les enzymes utilisées pour déterminer les capacités oxydative et glycolytique des fibres musculaires. La distinction de fibres musculaires selon leurs caractéristiques physiques (vitesse de contraction) et métaboliques est cependant probablement, de par son caractère global, la méthode de classification la plus adaptée aux études cherchant à mettre en évidence un lien entre types de fibres et performances sportives chez l'homme.
Le tissu musculaire squelettique est remarquablement capable de s'adapter à sa charge fonctionnelle. Une augmentation de la durée d'activation (exercice d'endurance) ou une augmentation de la charge (exercice de résistance) aboutit à un changement de phénotype musculaire en induisant l'expression de gènes impliqués dans des processus comme l'hypertrophie du muscle, la transition de types de fibres musculaires et la biogenèse mitochondriale. La plasticité du muscle strié squelettique implique l'existence de mécanismes permettant de détecter des changements d'activité contractile et environnementaux. L'état actuel de la recherche n'explique néanmoins de loin pas toutes les interactions possibles entre les éléments affectant la fonction musculaire et les processus adaptatifs du muscle strié squelettique classiquement décrits.
Historiquement, une des techniques ayant généré le plus d'informations en matière de transition de types de fibres est la stimulation électrique de nerfs innervant des groupes musculaires. Ces expériences ont permis d'établir un modèle de transitions entre isoformes de MyHC allant des fibres les plus rapides aux plus lentes et inversement selon le motif de la stimulation (figure 3). Deux motifs de stimulation artificielle sont décrits : la stimulation chronique de basse fréquence CLFS (Chronic Low Frequency Stimulation), mimant l'activité des motoneurones des muscles lents ainsi que la stimulation phasique de haute fréquence PHFS (Phasic High Frequency Stimulation), mimant l'activité des motoneurones des muscles rapides. Chez l'homme, trois types de fibres «pures» ne présentant qu'une seule isoforme de MyHC peuvent être isolés : les fibres de type I (MyHC Ib/s), IIA (MyHC IIa) et IID/X (MyHC IId/x). Il est néanmoins fréquent de trouver des fibres mixtes exprimant plusieurs isoformes rapides alors qu'il est extrêmement rare de détecter la coexistence d'isoformes rapides et lentes.14 Il en a été déduit que les fibres mixtes représentent des formes intermédiaires lors du processus de transition.15 Il a également été proposé que ces fibres hybrides représentent une sous-population capable de s'adapter rapidement aux changements fonctionnels.16
Depuis les expériences classiques de réinnervation de muscles «rapides» avec des nerfs de muscles «lents» (et inversement),17 l'influence du pattern de l'activité électrique sur la composition myofibrillaire musculaire est reconnue. Ainsi, il est possible d'induire une transition vers un phénotype de muscle lent en stimulant artificiellement le nerf d'un muscle rapide de manière continue à une fréquence de 10-30 Hertz (CLFS).18 Les changements myofibrillaires élicités par CLFS chez les mammifères s'effectuent par ordre décroissant de vitesse de contraction (IIb, IId/x, IIa, Ib/s) et sont dépendants de plusieurs facteurs. Le passage des isoformes rapides à l'isoforme lente est plus rapide et plus complet chez le lapin que chez le rat.19-22 De plus, l'étendue des changements d'isoformes est corrélée à la composition originale du muscle étudié ainsi qu'à la durée de la stimulation,23-25 démontrant l'existence d'une relation dose-réponse. Les changements d'isoformes de protéines contractiles obtenus par exercice musculaire volontaire (endurance) vont dans le même sens que ceux obtenus par stimulation électrique. L'étendue des changements reste cependant moindre, la CLFS, de par la stimulation simultanée de toutes les unités motrices, poussant le muscle à son plein potentiel adaptatif.26
En comparaison avec la quantité d'informations concernant les transitions d'isoformes rapides à lentes, la transition inverse est nettement moins bien représentée dans la littérature. Néanmoins, le même principe de changements séquentiels selon la vitesse de contraction s'applique. Plusieurs interventions induisent la transition de fibres musculaire lentes vers un phénotype plus rapide. La transsection médullaire ainsi que la dénervation de muscles couplée à une stimulation phasique de haute fréquence (PHFS) aboutissent au remplacement de fibres lentes par des fibres rapides.27,28 La seule dénervation d'un muscle provoque des changements espèce dépendant. D'une manière générale, les muscles lents deviennent plus rapides et les muscles rapides plus lents. Il en résulte une augmentation de la population de fibres exprimant MyHC IIa ainsi que l'apparition d'isoformes normalement détectées lors du développement.12
Il est connu de longue date que les changements d'expression de protéines métaboliques précèdent les changements d'isoformes de protéines contractiles.29 Trois principaux facteurs induisant ces modifications ont été décrits. Premièrement, la fréquence des augmentations de calcium intracellulaire générées par les cycles excitation-contraction est décodée par plusieurs senseurs calciques,30 permettant l'expression ciblée, selon le type d'exercice effectué, de protéines comme la cytochrome oxydase.31 Deuxièmement, les variations du ratio intracellulaire ATP/AMP activent une protéine : l'AMPK (5'-AMP-activated protein Kinase) initiant l'expression de gènes métaboliques.32,33 Finalement, bien qu'il soit publié que l'hypoxie tissulaire atteint un minimum à des niveaux d'exercice très bas,34 de nombreuses publications attribuent un rôle à la pression partielle d'oxygène intracellulaire dans la plasticité musculaire.35
Il est aisé de distinguer macroscopiquement un muscle entraîné d'un muscle inutilisé de par son volume. Cette différence peut être le résultat, soit d'une augmentation du volume individuel de chaque fibre (réponse hypertrophique), soit d'une augmentation du nombre total de fibres (réponse hyperplasique). Les exercices de résistance favorisent le développement d'une réponse hypertrophique intense se distinguant facilement de la structure musculaire obtenue lors d'exercices d'endurance. La contribution de la réponse hyperplasique lors de ce processus reste par contre un sujet controversé. Les données de la littérature la concernant sont en effet peu abondantes et bien qu'il semble établi que certains types de contraintes, particulièrement l'étirement (obtenu par fixation d'un muscle en tension au moyen d'un plâtre, par exemple), aboutissent à une augmentation du nombre de fibres, les mécanismes responsables de ce processus (prolifération de cellules satellites 36 versus séparation longitudinale des fibres 37) sont trop peu étudiés pour permettre une discussion approfondie.38
L'hypertrophie musculaire est accompagnée d'une augmentation concomitante du nombre de noyaux par fibre, permettant de maintenir un rapport nucléo-cytoplasmique constant (figure 4A). Il semble en effet que les noyaux ne produisent un niveau d'ARN suffisant que pour un volume myocellulaire limité. Cette observation est à la base du concept de domaine nucléaire.39 L'augmentation du nombre de noyaux observée lors d'hypertrophie est rendue possible par l'existence d'une population de cellules quiescentes, les cellules satellites, résidant sous la membrane basale des fibres musculaires et capables de proliférer et fusionner avec les fibres sous-jacentes ainsi que de se renouveler.
Si le muscle est capable d'entreprendre une réponse hypertrophique lorsqu'il est soumis à des contraintes, le contraire est également vrai. Une atrophie tissulaire squelettique est observée dans plusieurs conditions, comme la réduction de l'activité neuromusculaire (dénervation, apesanteur, etc.) ainsi que les situations où le catabolisme est augmenté (cachexie cancéreuse, brûlure grave, hyperthyroïdisme, etc.) à l'inverse de la réponse hypertrophique, le nombre de noyaux par fibre diminue lors du processus d'atrophie 40 (figure 4B), bien qu'il ne soit pas clair s'il s'agit d'un processus primaire ou secondaire. Il semble que l'apoptose sélective de noyaux discrètement répartis au sein des fibres soit le mécanisme responsable de la perte de masse musculaire mais les données de la littérature sont encore insuffisantes dans ce domaine.41
L'action des androgènes et particulièrement de la testostérone sur la fonction musculaire est un sujet qui a suscité beaucoup de débats. Il est actuellement admis que la testostérone induit une hypertrophie musculaire des fibres de types I et II (sans changer leur proportion) 42 associée à une diminution de la masse graisseuse.43 Bien que l'effet positif de la testostérone sur la balance azotée soit connu de longue date,44 il a été récemment proposé que son site d'action se trouve au niveau de la cellule satellite et que son rôle dans la synthèse protéique soit plutôt indirect.45 L'administration de testostérone provoque en effet une prolifération des cellules satellites.46 De plus, cette hormone pousse des cellules pluripotentes in vitro à se différencier dans la lignée myogénique et inhibe leur différenciation en lignée adipeuse par un mécanisme encore inconnu.47
Le clonage de facteurs impliqués dans la prise de masse musculaire a également mis en évidence l'importance des produits du gène de l'IGF-1 (Insulin-like Growth Factor-1). Il existe en effet plusieurs variantes d'épissage de ce dernier, dont deux sont retrouvés dans le muscle strié squelettique. Le premier produit, l'IGF-1 systémique (IGFEa) est exprimé de manière constante, indépendamment de toute contrainte, alors que le deuxième, nommé MGF (Mechanical Growth Factor), est augmenté durant la réponse hypertrophique.48 Il a été postulé que ces deux facteurs étaient impliqués de manière différentielle en ce qui concerne le rôle de la cellule satellite dans la réponse hypertrophique. L'administration de MGF à des cellules musculaires in vitro provoque leur prolifération mais pas leur différenciation en cellules multinucléées, alors que le traitement de ces mêmes cellules avec l'IGF-1 déclenche leur prolifération et induit leur différenciation.49 Un modèle a donc été proposé, impliquant le MGF dans le renouvellement du stock de cellules satellites induites à fusionner avec la fibre sous-jacente par l'IGF-1 lors du processus hypertrophique.50 Il semble également que le facteur limitant l'hypertrophie soit la disponibilité en MGF, le traitement de souris avec ce dernier aboutissant à une prise de masse musculaire de 25% en trois semaines après une injection unique.51 De plus, les animaux exprimant constitutivement une construction du gène de l'IGF-1 systémique sous la dépendance d'un promoteur d'une des chaînes légères de myosine aboutissent à une prise de masse de 15% en quatre mois.52
Plusieurs mécanismes potentiels régulant l'impressionnante plasticité musculaire ont été proposés et plusieurs protéines ont été décrites en tant qu'«élément clef» ou «interrupteur principal» dans les processus de transition de types de fibres musculaires. A l'heure actuelle, il semble néanmoins peu probable que l'évolution de la recherche dans ce domaine révèle un système de régulation dépendant d'une protéine unique.
Il existe une grande variabilité aussi bien entre espèces qu'entre individus en ce qui concerne la proportion et les types de fibres qui constituent les différents tissus musculaires squelettiques. Cette variabilité se retrouve également dans la capacité de chaque individu à fournir un exercice aérobie ou anaérobie.53 De nombreuses études, chez l'homme, se sont intéressées à corréler le profil individuel de répartition d'isoformes de protéines musculaires avec les performances physiques des sujets étudiés.
A l'heure actuelle, il n'existe pas assez de données dans la littérature pour établir des corrélations entre tous les types de fibres musculaires déterminés selon les diverses méthodes à disposition et les différents types d'exercice musculaire. En fait, à ce jour, seule la distinction la plus élémentaire entre fibres lentes (type I, oxydative) et rapides (type II, glycolytique) a pu être corrélée de manière satisfaisante avec les exercices d'endurance ou de résistance chez l'homme. Ainsi, il apparaît que la musculature d'athlètes performants dans les sports d'endurance (exercices de longue durée n'atteignant pas la charge maximale) contient une grande proportion de fibres lentes au contraire des sports de résistance (exercice de courte durée approchant la charge maximale) comme le sprint.13,54,55 La déduction que la connaissance du type de fibre musculaire permet de prédire le succès athlétique 54 doit cependant être nuancée. Il est décrit par exemple des variations de 50 à 98% de proportion de fibres lentes déterminées par biopsie du quadriceps fémoral chez deux athlètes qui courent une épreuve de 10 km dans le même temps. Il est fort probable que le type de fibre musculaire ne soit pas le seul déterminant de la performance maximale atteignable, soit en endurance, soit en force et vitesse. Il paraît ainsi également nécessaire de prendre en compte d'autres facteurs de la performance, comme pour l'endurance, la VO2 max, le débit cardiaque maximal, voire des facteurs centraux (cérébraux) ou pour la force, des facteurs neuromusculaires (synchronisation des unités motrices, coordination intra- et intermusculaire) et d'autres liés à l'étirement de la structure tendo-musculaire.53,56
Concernant l'effet de l'entraînement proprement dit au niveau de la plasticité du muscle squelettique, on peut schématiquement distinguer deux situations : l'adaptation musculaire aux exercices d'endurance et celle au travail de résistance.35
Lors d'un travail d'endurance, il a été démontré diverses modifications musculaires, caractérisées par une hyperexpression d'activateurs nucléaires de la transcription parmi lesquels le Peroxisome proliferator Gamma Coactivator 1 (PGC-1) et le Peroxisome Proliferator Activated Receptor delta (PPAR delta) :35
* d'abord une augmentation jusqu'à 40% du volume mitochondrial total (quadriceps), portant essentiellement sur les mitochondries sous-sarcolemmiques des trois types de fibres, plus nette sur les fibres de type IIa ; associée à un accroissement de la capacité oxydative de la fibre musculaire ;
* une augmentation de la capillarité musculaire, menant à un «rapport capillaire/fibre» de 2,7 pour des coureurs d'endurance entraînés contre 1,37 à 2,07 pour des sujets sédentaires ;
* ensuite, une transformation potentielle de fibres rapides en lentes, avec essentiellement expression de fibres contenant des isoformes MyHC IIa ou alors d'hybrides de type I/IIa ; un processus de down-regulation spécifique des mRNA des isoformes MHC de type IIx a aussi clairement été montré.
Les effets des exercices d'endurance, tels que la course à pied par exemple, sur le profil MHC apparaissent être à la fois «dose-dépendants» et spécifiques aux muscles entraînés (selon leur répartition entre fibres lentes et rapides).
Lors d'un travail de résistance, d'autres adaptations purement musculaires ont été documentées,35 reliées en particulier à une régulation concertée de programme d'expression génique au moyen de facteurs de transcription comme la myogénine, MRF4, SKI, etc. :
* tout d'abord, un accroissement de la surface de section du muscle essentiellement consécutif à une augmentation du volume myofibrillaire (modifications du turn-over des protéines contractiles avant tout), prédominant nettement sur les fibres rapides et surtout de type IIa (up-regulation) ; l'augmentation de taille des fibres exprimant purement MyHC IId/x ne paraît être que d'une importance mineure ;
* par contre, la densité mitochondriale est fortement réduite, pouvant tomber jusqu'à moins de 2% chez certains athlètes d'élite de force ;
* une activation des cellules satellites (marqueurs de la myogenèse) qui paraît être nécessaire au processus d'hypertrophie, permettant par fusion aux fibres existantes d'accroître le nombre de noyaux de la fibre en croissance (maintien du rapport nucléo-cytoplasmique) ;
* enfin, l'architecture musculaire est primordiale, les muscles d'un athlète de force ou de vitesse démontrant une longueur accrue, statistiquement significative, favorable au développement d'une vitesse de contraction élevée (nombre de sarcomères en série) et surtout un angle de pennation plus faible permettant le développement de tensions musculaires importantes.57
Il existe actuellement un nombre impressionnant de publications concernant le muscle squelettique. Une recherche simple selon le critère skeletal muscle sur le site Entrez PubMED renvoie à plus de 11 000 articles, le critère skeletal muscle plasticity renvoie, lui, à environ 600 références. Bien qu'il soit probable qu'un certain nombre d'isoformes de protéines contractiles reste à découvrir, la structure du muscle strié squelettique vue de manière instantanée ainsi que sa fonction motrice, sont bien comprises.
La mise à jour en 2003 de la carte des gènes humains impliqués dans les performances physiques renvoie à 109 entrées.58 En outre, le cas d'un nouveau-né présentant une hypertrophie musculaire massive suite à une inactivation complète d'un facteur régulant la croissance musculaire (myostatine) a récemment été décrit.59 Ces observations couplées au potentiel thérapeutique lié à l'isolation de facteurs capables de modifier la physiologie musculaire permettent d'envisager l'apparition de nouvelles approches, aussi bien dans le domaine de la recherche fondamentale, que dans celui des méthodes thérapeutiques cliniques. Il va de soi que ces connaissances risquent également de perturber les milieux évoluant autour des performances sportives.