I. 3 3 Les autres fonctions mitochondriales
I. 4. Biogenèse mitochondriale
La! biogenèse! mitochondriale! est! un! processus! clef! qui! contrôle! la! masse! et! donc! régule! la! fonction! mitochondriale! (Hood! 2001;! Yao! and! Brinton! 2012).! La! biogenèse! mitochondriale! débute! par!une!augmentation!de!la!surface!membranaire!à!l’aide!d’un!recrutement!accru!en!phospholipides! et! se! poursuit! par! la! synthèse! et! l’adressage! des! différentes! protéines! dans! l’ensemble! des! compartiments! sub=mitochondriaux.! Etant! donnée! l’origine! mixte! des! protéines! mitochondriales,! une! coordination! étroite! entre! l’expression! du! génome! mitochondrial! et! du! génome! nucléaire! est! nécessaire! pour! contrôler! finement! la! biogenèse! mitochondriale! en! fonction! des! conditions! physiologiques.! Ainsi,!la! cellule! est! capable! d’adapter! ses! capacités! énergétiques! et! ses! fonctions! mitochondriales! en! réponse! aux! stimuli! tels! que! l’activité! physique,! la! restriction! calorique,! l’exposition!au!froid,!la!présence!de!facteurs!hormonaux!ou!de!croissance!(Hock!and!Kralli!2009)!puis! également!au!cours!du!développement!en!fonction!du!cycle!cellulaire!et!de!l’état!de!prolifération!des! cellules!(Arakaki!et!al.!2006).!
! !
A"
B"
Figure!9!–!La!biogenèse!mitochondriale!
(A)!Représentation!schématique!du!contrôle!de!la!biogenèse!mitochondriale!par!les!facteurs!de! transcription! nucléaires! NRF=1! et! NRF=2! (GABP).! Les! NRFs! contribuent! de! manière! directe! ou! indirecte! à! la! transactivation! de! gènes! impliqués! dans! la! chaîne! respiratoire! mitochondriale,! la! transcription! et! la! réplication! de! l’ADN! mitochondrial,! et! plus! récemment! dans! la! machinerie! d’import!des!protéines!mitochondriales!(TOM/TIM).!(B)!Représentation!schématique!des!voies!de! signalisation! impliquées! dans! la! biogenèse! mitochondriale! induite! par! le! co=facteur! PGC=1α.! La! transcription!du!gène!codant!PGC=1α!est!induite!par!le!facteur!de!transcription!CREB,!lui!même! activé!en!réponse!au!froid!(thermogenèse),!au!jeûne!(néoglucogenèse)!ou!à!l’exercice.!
Source&:&Scarpulla&RC.,&2008.!
Le! génome! nucléaire! contribue! à! l’expression! de! plus! de! 1500! protéines! mitochondriales! (Calvo! et! al.! 2006;! Scarpulla! 2008).! Leur! expression! est! régulée! par! les! facteurs! de! transcription! NRF=1! et! NRF=2! (Nuclear! Respiratory! Factor! 1! et! 2),! ERRα! (Estrogen=Related! Receptor)! et! PPARγ! (peroxisome! proliferator=activated! receptor! γ),! et! par! une! famille! de! co=activateurs,! les! PGC=1! (peroxisome!proliferator=activated!receptor!γ=coactivator=1),!tels!que!PGC=1α,!PGC=1β!et!PRC!(PGC=1! related!coactivator).!!
Les!NRFs!(NRF=1!et!NRF=2),!couplés!au!co=facteur!PGC=1α,!sont!des!facteurs!de!transcription!
qui!régulent!notamment!la!coordination!entre!le!génome!nucléaire!et!mitochondrial.!Ils!permettent! entre! autre! la! transactivation! de! gènes! responsables! de! l’expression! de! sous=unités! de! la! chaîne! respiratoire! mitochondriale! (ATP! synthase! β,! COX! II! et! IV,! cytochrome! c)!(Wu! et! al.! 1999)! et! de! la! réplication!et!la!transcription!de!l’ADN!mitochondrial!(TFAM,!TFB1M!et!TFB2M)!(Gleyzer!et!al.!2005)! (Figure!9).!! Les!ERRs!(ERR=α,!ERR=β!et!ERR=γ)!sont!des!récepteurs!nucléaires!orphelins!constitutivement! actifs!qui!se!fixent!sur!des!régions!promotrices!ERRE!(ERR!response!Element)!sous!forme!de!mono=,! homo=!ou!hétéro=dimères.!L’œstrogène!est!également!un!ligand!des!récepteurs!ERRs,!ainsi!que!TFIIB! qui!permet!la!liaison!des!ARN!polymérases!au!récepteur.!ERR=α!est!exprimé!de!façon!ubiquitaire,!et! constitue! la! forme! majoritaire.! Il! contrôle! à! la! fois! les! gènes! impliqués! dans! la! biogenèse! mitochondriale!(Wu!et!al.!1999)!et!la!phosphorylation!oxydative!(Mootha!et!al.!2004)!(Figure!9).!!
La! famille! des! PGC;1! est! très! fortement! représentée! dans! des! cellules! avec! une! activité!
oxydative!importante,!plus!particulièrement!le!co=facteur!PGC=1α!exprimé!dans!le!cœur,!les!muscles! squelettiques,!le!rein,!le!foie,!le!pancréas,!le!cerveau!et!le!tissu!adipeux!brun!(Larrouy!et!al.!1999).! PGC=1α& permet! de! moduler! de! nombreuses! cascades! de! signalisation,! depuis! la! transcription! et! la! réplication! de! l’ADN! mitochondrial! et! nucléaire,! jusqu’à! l’expression! de! protéines! de! la! chaîne! respiratoire! et! la! réponse! au! stress! oxydant! (Figure! 9).! Ce! facteur! intervient! notamment! dans! l’adaptation! du! métabolisme! mitochondrial! en! fonction! de! diverses! situations! physiologiques! (naissance,! exposition! au! froid! et! exercice! physique).! La! thermogenèse! adaptative! en! réponse! au! froid! entraîne,! dans! le! tissu! adipeux! brun,! une! augmentation! du! nombre! de! mitochondries,! l’augmentation!de!la!respiration!mitochondriale!et!l’induction!du!découplage!de!la!respiration.!Dans! le!muscle,!consécutivement!à!un!exercice,!et!dans!le!cœur,!après!la!naissance,!l’augmentation!de!la! biogenèse!mitochondriale!et!de!la!respiration!mitochondriale!s’accompagnent!d’une!synthèse!accrue! d’ATP.!Les!niveaux!d’ARNm!de!PGC=1α!sont!augmentés!dans!ces!deux!situations!suggérant!un!rôle! central! de! cette! protéine! dans! la! régulation! des! fonctions! mitochondriales! (Lehman! et! al.! 2000;! Puigserver!et!al.!1998;!Russell!et!al.!2003).!PGC=1α!apparaît!comme!un!gène!clé!dans!la!mise!en!place!!
! ! HeLa( Cos57( Astrocyte( Neurone( HUVEC( Hépatocyte( Métabolisme" CHX( HeLa( Palmitate( INS1( Glucose( Type"cellulaire" Stress" Apoptose( (STS)( HeLa( Cycle"cellulaire"
A"
B"
Echelle(:(5µm( Echelle(:(5µm( DifférenXaXon" Neuroblastes( Neurones( Echelle(:(20µm( Echelle(:(25µm( Echelle(:(«(absente(»( Echelle(:(«(absente(»(Figure! 10! –! Le! réseau! mitochondrial! dynamique!!
(A)! La! morphologie! des! mitochondries! est! variable,! de! filaments! plus! ou! moins! interconnectés! à! des! entités! sphériques,! suivant! le! type! cellulaire,! les! stress! exogènes,!l’état!de!différentiation,!la!phase! du! cycle! cellulaire! et! les! substrats! disponibles! (métabolisme).! (B)! Imagerie! en! temps!réel!des!évènements!de!fusion!et!de! fission! des! mitochondries! dans! des! cellules! MEFs.! En! «!jaune!»! :! fusion! de! deux! mitochondries!(une!verte!et!une!rouge).!
Source&:&(A)&Collins&et&al.,&2002,&Mitra&et&al.,& 2009,& Voccoli& et& al.,& 2009,& Tondera& et& al.,& 2009,&Karbowski&et&al.,&2003&et&Liesa&et&al.,& 2013.&(B)&Chan&DC.,&2012.&&!
d’un! programme! transcriptionnel! lié! au! métabolisme! énergétique! mitochondrial.! Sur! le! plan! physiopathologique,! une! diminution! de! l’expression! de! PGC=1α! dans! les! muscles,! le! cœur! et! le! cerveau! pourrait! contribuer! respectivement! au! développement! d’un! diabète! de! type! 2,! d’une! insuffisance!cardiaque!et!d’une!maladie!neurodégénérative!comme!la!maladie!d’Alzheimer!(Garnier! et!al.!2003;!Mootha!et!al.!2003;!Patti!et!al.!2003;!Pedros!et!al.!2014).!
I. 5. La dynamique mitochondriale
La!morphologie!des!mitochondries!est!dynamique!et!variable!car!elle!est!modulée!selon!le! type!cellulaire!et!l’état!métabolique!de!la!cellule.!Lors!de!leur!découverte,!il!y!a!une!centaine!d’année,! les!mitochondries!ont!été!décrites!en!forme!de!«!filaments!»!et!de!«!grains!».!Ces!premières!analyses,! qui!ont!été!confirmées!par!la!suite!grâce!aux!progrès!de!l’imagerie!et!de!la!microscopie,!témoignent! bien!de!l’hétérogénéité!morphologique!de!cet!organite.!Les!mitochondries!peuvent!en!effet!former! un! réseau! de! filaments! plus! ou! moins! longs! et! interconnectés! (cellules! HeLa,! cardiomyocytes,!S.pombe& et! S.cerevisiae)! ou! apparaître! sous! forme! d’entités! isolées! (fibroblastes! embryonnaires!
murins,! hépatocytes),! voire! présenter! une! morphologie! mixte! (ostéosarcome)! (Collins! et! al.! 2002;! Guillou! et! al.! 2005;! Kuznetsov! and! Margreiter! 2009;! Kuznetsov! et! al.! 2009;! T! Landes! et! al.! 2010;! Margineantu!et!al.!2002)!(Figure!10).!
La!distribution!et!la!mobilité!des!mitochondries!sont!sous!la!dépendance!d’une!composante! extrinsèque!:!le!réseau!de!microtubules!et!d’actine!et!les!machineries!de!transport!associées!(DePina! and!Langford!1999;!Ligon!and!Steward!2000;!Schwarz!2013).!De!plus,!leur!morphologie!est!modulée! par!des!évènements!de!fusion!et!de!fission!perpétuels!qui!représentent!la!composante!intrinsèque!:! la! dynamique! mitochondriale.! Lorsque! les! évènements! de! fission! prédominent,! le! réseau! mitochondrial!apparaît!fragmenté.!À!l’inverse,!si!la!force!de!fusion!est!majoritaire,!les!mitochondries! forment! un! réseau! tubulaire! et! interconnecté! (Figures! 10! et! 11).! Les! mitochondries! peuvent! fusionner! de! façon! transitoire! ou! complète.! La! fusion! dite! transitoire! («!kiss! and! run!»),! suivie! très! rapidement! par! des! phénomènes! de! fission,! est! due! à! des! interactions! latérales! entre! des! mitochondries!associées!à!des!microtubules!distincts!qui!vont!échanger!rapidement!et!partiellement! des! éléments! solubles,! sans! affecter! la! morphologie! mitochondriale! (Liu! and! Hajnóczky! 2009).! À! l’inverse,! la! fusion! «!complète!»! de! mitochondries! se! déplaçant! l’une! vers! l’autre! le! long! d’un! microtubule!autorise!le!mélange!de!tous!les!composants!mitochondriaux!et!affecte!la!morphologie! mitochondriale.!
Vers!la!fin!des!années!1990,!des!cribles!génétiques!réalisés!chez!Saccharomyces&Cerevisiae! ont!permis!d’identifier!les!premiers!protagonistes!de!la!dynamique!mitochondriale.!Il!s’agit!de!!
! ! Acteurs"de"la"fusion" Acteurs"de"la"fission" MFN1/2( OPA1( Fis1( Mff( MiD49( MiED51/MIEF( DRP1(
A"
B"
Figure!11!–!Acteurs!protéiques!de!la!fusion!et!de!la!fission!mitochondriale,!chez!l’homme!(A)! Les! acteurs! protéiques! de! la! fusion! et! de! la! fission.! (B)! La! fusion! est! enclenchée! par! les! Mitofusines! (MFN)! 1! et! 2! au! niveau! de! la! membrane! externe! mitochondriale.! Une! fois! les! membranes!de!deux!mitochondries!fusionnées,!OPA1!permet!la!fusion!des!membranes!internes! de! l’organelle.! La! fission! débute! par! le! recrutement! de! DRP1,! une! protéine! majoritairement! cytosolique,! au! niveau! des! récepteurs! Mff,! MiD49,! MiED51/MIEF! et/ou! Fis1! (hFis1).! DRP1! oligomérise! et! permet! par! action! mécanique! la! courbure! des! membranes! et! enfin! la! fission! complète!des!mitochondries.!!
Source&:&Chan&DC.,&2012.&&!
grandes!GTPases!conservées!chez!les!eucaryotes!au!cours!de!l’évolution,!appartenant!à!la!famille!des! dynamines.! Ces! dernières! sont! divisées! en! 3! groupes,! les! dynamines! classiques,! les! dynamines! apparentées!et!les!protéines!apparentées!à!GBP,!et!possèdent!des!domaines!protéiques!conservés.! Les!acteurs!de!la!dynamique!mitochondriale!sont!des!«!dynamines!apparentées!»!et!présentent!en! commun!le!domaine!GTPase!(faible!affinité!pour!le!GTP!et!forte!capacité!à!hydrolyser!ce!nucléotide),! le!domaine!«!Middle!»!(site!d’interaction!protéine=protéine)!et!le!domaine!GTPase!Effector!Domain! GED! (interaction! avec! les! domaines! GTPase! et! Middle! et! oligomérisation! de! la! dynamine! pour! stimuler!son!activité!GTPase)!(Praefcke!and!McMahon!2004;!Smirnova!et!al.!1999).!