Les aspects génétiques du cœur d’athlète François Carré, Hôpital Pontchaillou, Rennes

Pour aborder son exposé, François Carré a rapporté l’histoire d’une famille Rennaise dont les trois enfants, deux filles et un garçon, se sont distingués au niveau national en marathon et semi-marathon. Il est alors aisé de faire un raccourci rapide sur le rôle de la génétique sur la performance sportive. Mais qu’en est –il exactement de la réponse des adaptations cardiovasculaires à l’entraînement et peut on expliquer toutes les aptitudes par l’unique intervention de la génétique ?
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Classiquement on parle de cœur d’athlète, pour des entraînements hebdomadaires d’au moins dix heures. Cette activité intensive provoque des modifications cliniques, électriques et morphologiques.

Le cœur d’athlète: ses caractéristiques électriques

On note avant tout une adaptation du système nerveux autonome avec une augmentation du tonus parasympathique et une diminution du tonus sympathique. La forte variabilité individuelle met en évidence une participation des facteurs génétiques. Des spécificités ethniques ont aussi été avancées. Elles ont été étudiées sur la race noire mais sur un petit nombre d’études et sur des effectifs très limités. L’implication du tonus parasympathique semble être sous la dépendance majeure d’un gène récessif. Quant à la variabilité de la fréquence cardiaque globale elle semble s’expliquer par des facteurs héréditaires et environnementaux. L’étude longitudinale canadienne et d’Amérique du nord , HERITAGE, étudie les gènes d’entraînabilité, mais sur une population peu entraînée au départ et pratiquant une activité physique limitée. Malgré ces limites cette étude confirme l’existence d’une réponse variable aux effets de l’entraînement physique. L’augmentation moins rapide de la fréquence cardiaque (FC) et de la pression artérielle (PA) à l’exercice après entraînement peut s’expliquer par les gènes du chromosome 4 et des béta-1 récepteurs.

Le cœur d’athlète : ses modifications morphologiques et ses adaptations à l’exercice.

L’hypertrophie cardiaque du sportif existe mais reste très modérée. Elle est harmonieuse et se développe aux dépens des quatre cavités. L’épaississement pariétale et l’augmentation du diamètre télédiastolique sont modérés. Ces évolutions, de l’ordre de 10 à 20% , sont bien loin des modifications dues à la pathologie (dia 2 et 3). Ce remodelage musculaire entraîne ainsi une hypertrophie avec une augmentation équilibrée de collagène et une absence de fibrose associée contrairement au cœur pathologique. La vascularisation est adaptée ce qui explique en partie l’augmentation de la réserve coronaire du sportif. Par ailleurs, la densité mitochondriale est stable ce qui diffère de la forte prolifération des mitochondries observée dans le muscle squelettique. (Dia 6) La fréquence cardiaque maximale n’est pas modifiée par l’entraînement. Ainsi, chez un sportif, le débit cardiaque à l’exercice augmente principalement par l’évolution du volume d’éjection systolique, sans plafonnement visible même à l’effort maximal.(dia 4).

Le cœur d’athlète: les déterminants de l’hypertrophie cardiaque

La génétique s’exprime en réponse aux déterminants hémodynamiques et neuro-hormonaux.(dia 5)
- les facteurs hémodynamiques : (dia 6)Chez le sportif ,les facteurs hémodynamiques entraînent des stimuli intermittents qui permettent une adaptation myocardique. Si ces stimuli s’exerçaient 24 H /24, il est possible que ces adaptations atteignent leurs limites. Les stimuli hémodynamiques, augmentations des pré et post-charges, par l’intermédiaire des facteurs de croissance stimulent des gènes quiescents du génome fœtal ou des gènes inductibles .
- Les facteurs neuro-hormonaux : Les stimuli neuro-hormonaux ont un rôle prépondérant. Le rôle du système nerveux autonome, parasympathique au repos et lors de la récupération et sympathique à l’exercice, a déjà été souligné. Du coté hormonal, certaines substances ont un rôle direct et favorisent le développement de l’hypertrophie cardiaque. Ce sont les catécholamines, le cortisol, les hormones thyroïdiennes et le système rénine-angiotensine. D’autres ont un rôle indirect, comme l’aldostérone et la vasopressine qui agissent sur l’augmentation de la volémie. Ces modifications aussi sont accompagnées de libération de facteurs de croissance. (dia 7)
- Les facteurs génétiques : Le rôle de la génétique est confirmé par la susceptibilité individuelle observée dans le développement de l’hypertrophie cardiaque du sportif. Ainsi, 40% des individus pratiquant 10 heures de musculation par semaine n’ont pas d’hypertrophie cardiaque. Dans l’étude HERITAGE, l’héritabilité de l’hypertrophie cardiaque est d’environ 50%.
Le rôle de l’environnement est donc primordial et c’est la réponse de certains gènes aux stimuli de l’exercice physique qui favoriseraient plus ou moins le développement d’un cœur de sportif. Ces réponses génétiques sont à l’origine de deux types d’adaptations, quantitatives et qualitatives. Concernant les adaptations quantitatives, différents gènes ont été explorés, notamment le gène de l’enzyme de conversion. Trois types d’allèles ont été individualisés sur le chromosome 17q 23 , appelés II, ID, DD. On observe beaucoup d’angiotensine II chez les DD, modérément chez les ID et peu chez les II. Deux études effectuées chez des sportifs de niveau d’entraînement moyen ont mis en évidence une HVG plus nette chez les DD que chez les ID et II. D’autres études ont montrées que les spécialistes d’endurance seraient plus fréquemment II et les sujets « explosifs » (sports de musculation) plutôt DD.
Ainsi, l’étude de Montgomery, publiée dans Circulation, a comparé la réponse myocardique de sujets sédentaires à un entraînement modéré sur quelques semaines. L’augmentation la plus nette a été retrouvée chez les porteurs des allèles DD. Dans une autre étude la même équipe a montré que les sujets II ont amélioré le plus leur temps d’endurance en réponse à l’entraînement. Cependant tout n’est pas si simple car dans l’étude de Hernandez, publiée dans le JACC, et qui concerne 60 athlètes endurants de niveau olympique, seuls 3 sujets II ont été retrouvés. (dia 9 et 10).
Certains autres points restent mal expliqués, comme le fait que l’angiotensine II favorise l’hypertrophie cardiaque et la fibrose, alors que nous l’avons vu la fibrose cardiaque n’est pas augmentée chez le sportif.
Le polymorphisme du gène M235 codant pour l’angiotensinogène a aussi été étudié. Ainsi les porteurs des allèles TT ont tendance a développer une hypertrophie cardiaque plus nette que les porteurs des allèles MT. L’aldostérone et le système adrénergique ne présentent pas de corrélation avec l’hypertrophie cardiaque. On note que jusqu’alors peu de travaux ont concerné l’insuline. (dia 8)

Le cœur d’athlète : ses adaptations qualitatives

L’adaptation qualitative des performances cardiaques des sportifs est très précoce. Ainsi, dés trois heures d’entraînement hebdomadaire, on remarque une amélioration de la fonction diastolique.
En comparaison avec le muscle squelettique, peu de modifications enzymatiques des systèmes énergétiques ont été observées au niveau du myocarde dans les données expérimentales. Lorsque le cœur est entraîné on observe une meilleure utilisation des lipides et des lactates. Le courant calcique est modifié avec une up-régulation des flux calciques.
Le rôle du système nerveux autonome dans les particularités de l’ECG du sportif a déjà été souligné. La durée du QRS est classiquement modestement prolongée chez les athlètes. L’augmentation de durée du potentiel d’action en réponse à l’entraînement décrite chez le rat a été également observée sur l’oreillette humaine.
La fonction diastolique est améliorée chez le sportif. Ceci s’explique probablement pour une bonne part par l’absence de toute fibrose. De plus, l’effet lusitrope adrénergique et la surexpression du gène Serca2 favorisent le recaptage rapide du calcium par le réticulum endoplasmique et donc la diastole. (dia 11).
Enfin, on observe une plus grande sensibilité inotropique ainsi qu’une plus grande résistance à l’acidose du myocarde des sportifs

Le cœur d’athlète : conclusion

La part génétique de la VO2 max., critère classique de la performance sportive aérobie, varie entre 20 et 50% selon les études.
Les adaptations du cœur à l’exercice sont bénéfiques et expliquent pour une part cette augmentation de la VO2 max. Le rôle de la génétique tant sur les adaptations qualitatives que quantitatives, est indéniable. Il existe cependant des sujets répondeurs et des sujets non répondeurs à l’entraînement physique régulier et intense. On distingue des gènes de la performance et d’autres qui influent sur l’adaptabilité à l’entraînement. Ces réponses sont multigéniques et concernent les génomes général et mitochondrial.
Ce n’est que l’orée de la recherche en génétique dans ce domaine, sans possibilité prédictive aujourd’hui de se servir des connaissances acquises pour sélectionner un champion olympique. De plus et heureusement, il est hautement probable que la performance sportive ne repose pas que sur l’héritage génétique.