DRP1

Le gène Drp1 est l’orthologue mammifère de Dnm1p qui a été rapporté comme étant impliqué dans la fission mitochondriale chez la levure (Bleazard et al., 1999 ; Labrousse et

al., 1999). L’étude de la protéine DRP1 a très rapidement bénéficié d’un grand intérêt de la

part de la communauté scientifique car il a été montré que son action dans la fission mitochondriale joue un rôle essentiel dans les mécanismes apoptotiques, son inhibition diminuant la susceptibilité des cellules à entrer dans le programme de mort cellulaire (Frank

et al., 2001). Cette protéine, d’environ 80 kDa, présente une localisation essentiellement

cytosolique (Smirnova et al., 2001) et est transportée vers les mitochondries via les dynéines et les microtubules (Varadi et al., 2004) ou via l’actine selon le facteur initiateur (De Vos et

al., 2005). Elle se localise alors spécifiquement au niveau des futurs sites de scission

mitochondriaux. L’expression de la protéine est mesurable dans tous les tissus, cependant DRP1 semble être exprimée davantage dans le cerveau (Smirnova et al., 1998 ; Yoon et al., 1998).

DRP1 contient un domaine GTPasique, un domaine central dont la fonction n’est pas encore bien identifiée et un domaine d’assemblage, également appelé domaine GED pour GTPase Effector Domain (Smirnova et al., 1998). La fonction GTPasique est essentielle au rôle de DRP1 dans la fission mitochondriale ; au cours de ce processus, la protéine DRP1 est en effet recrutée au niveau des sites de scission où l’oligomérisation de cette protéine, impliquant le domaine GED, conduit à la formation d’un anneau autour de la mitochondrie qui exerce une constriction dépendante de l’hydrolyse du GTP et divise ainsi l’organite (Yoon

et al., 2001; Ingerman et al., 2005) (Figure 26). A la différence de l’ensemble des protéines de

la dynamique mitochondriale connues, DRP1 ne présente pas de domaine permettant son intégration dans la membrane mitochondriale. Sa localisation au niveau de la membrane mitochondriale semble ainsi impliquer une interaction avec la protéine FIS1 (Yoon et al., 2003). La mécanistique précise de cette interaction n’a pas encore été bien décrite. Même s’il

Figure 26 : La fission mitochondriale

La fission mitochondriale est régie par les molécules DRP1 et Fis1 conduisant à la formation d’un anneau qui sépare la mitochondrie mère en deux mitochondries filles. D’après Youle &

-Introduction-

a été montré que ces deux protéines interagissent directement l’une avec l’autre (Yoon et al., 2003), il se pourrait que cette interaction nécessite l’intervention de protéines adaptatrices comme c’est le cas pour leurs homologues chez la levure dont l’interaction implique plusieurs protéines telles que MDV1 et CAF4 (Tieu et al., 2002 ; Griffin et al., 2005) ; aucune protéine de ce genre n’a cependant été identifiée chez les mammifères à ce jour.

Des études récentes suggèrent que l’activation et la translocation de DRP1 vers la mitochondrie pourraient être régulées par des processus post-traductionnels comme la sumoylation, l’ubiquitination, la S-nitrosylation ou encore la phosphorylation de résidu sérine du domaine GED. Si la sumoylation, qui stabilise la protéine, et la S-nitrosylation sont des processus favorisant l’action fissionnelle de la protéine, il en est tout autre pour l’ubiquitination qui mène à la dégradation de la protéine (Harder et al., 2004 ; Cho et al., 2009). La régulation de l’activité de DRP1 par phosphorylation est plus complexe à appréhender dans la mesure où l’effet varie selon le résidu sérine phosphorylé et l’isoforme de la protéine. Il a ainsi été montré que la phosphorylation de la Ser585/616 (rat/humain) d’une isoforme longue de DRP1 par la Cyclin Dependent Kinase 1 (Cdk1/cyclinB) favorise la fission (Taguchi et al., 2007) alors que la phosphorylation de la Ser656/637 par la PKA inhibe le mécanisme de fission et le processus apoptotique induits par DRP1 (Cribbs & Strack, 2007 ; Chang & Blackstone, 2007). De manière intéressante, l’activation de la PKA via la voie β- adrénergique en injectant un agoniste adrénergique ou en faisant faire de l’exercice à des animaux conduit à une élévation de la phosphorylation de la Ser656/637 dans le cœur suggérant une régulation de DRP1 par phosphorylation dans le tissu cardiaque (Cribbs & Strack, 2007). Cette action inhibitrice de la PKA sur l’activité de la protéine peut être levée par une phosphatase particulière activée par le calcium intracellulaire, la calcineurine, qui déphosphoryle spécifiquement la Ser656/637 et entraîne la translocation de DRP1 vers la mitochondrie (Cereghetti et al., 2008). Il est à noter que la phosphorylation par la Ca2+/calmodulin dependent protein kinase Iα (CAMKIα) de la Ser600 d’une forme courte de DRP1 (correspondant à la Ser637 de la forme longue) stimule l’activité de fission de DRP1 (Han et al., 2008). Outre le fait que la phosphorylation d’un résidu équivalent dans deux isoformes différentes ait des effets opposés, il est remarquable que le calcium participe à la translocation de DRP1 vers la membrane externe de la mitochondrie en activant la calcineurine et la CAMKIα. Ceci pourrait expliquer, en partie, la fission mitochondriale observée lors de la libération de calcium contenu dans le RE au cours de l’apotpose (Breckenridge et al., 2003). Cette régulation complexe de l’activité de DRP1 est intéressante

du point de vue du cardiomyocyte car le calcium et la PKA, qui semblent être au cœur de celle-ci, sont des acteurs majeurs de la signalisation de la cellule cardiaque, suggérant ainsi que l’activité fissionnelle des mitochondries est finement régulée dans le myocyte cardiaque.

2.FIS1

Le gène Fis1 a été identifié chez le mammifère en 2001 par homologie à Fis1p, son orthologue chez la levure (James et al., 2003). Il code pour la protéine FIS1 (17 kDa) qui est impliquée dans la fission des mitochondries et des péroxisomes (Koch et al., 2005). La localisation de cette protéine, qui est exprimée dans tous les tissus (Jofuku et al., 2005 ; Stojanovski et al., 2004), est très différente de celle observée pour DRP1 ; elle est principalement détectée au niveau de la mitochondrie où elle est enchâssée dans la membrane externe. L’insertion dans la membrane est rendue possible par la partie C-terminale de la protéine qui contient une hélice α, un domaine transmembranaire et une queue C-terminale exposée au milieu intermembranaire (James et al., 2003 ; Yoon et al., 2003 ; Stojanovski et

al., 2004 ; Jofuku et al., 2005). Le partie N-terminale, pour sa part, est exposée au milieu

intracellulaire et présente quatre régions constituées de cinq hélices α impliquées dans l’oligomérisation de FIS1 (pour la première hélice) et dans l’interaction directe ou indirecte avec DRP1 (pour l’ensemble des hélices) (Jofuku et al., 2005). L’activité fissionnelle de FIS1 est complètement dépendante de ces régions puisque la perte de celles-ci conduit à une protéine non fonctionnelle.

Les mécanismes régulant la protéine FIS1 sont encore peu connus. Il semble pourtant intéressant d’approfondir les connaissances actuelles de ces régulations car il est suggéré que la protéine FIS1 pourrait être un facteur limitant de la fission mitochondriale. De plus, la protéine FIS1, tout comme DRP1, joue un rôle non négligeable dans l’initiation de l’apotpose (Lee et al., 2004).

Manifestement, la morphologie des mitochondries et le profil du réseau mitochondrial sont modelés par des mécanismes mettant en jeu des acteurs protéiques hautement spécialisés et régulés. De nombreuses études ont démontré que la dérégulation d’un ou plusieurs de ces intervenants a des conséquences dommageables sur le volume individuel et l’organisation générale de l’organite. De par la forte proportion de

-Introduction-

mitochondries dans le cardiomyocyte, il est très probable que les effets d’une telle perturbation se répercutent sur l’ensemble de la structure interne de la cellule musculaire cardiaque. Il est donc raisonnable de penser que si un lien existe entre l’architecture cellulaire et la canalisation directe des nucléotides adényliques entre les mitochondries et les ATPases, il puisse être mis à jour par une étude de l’efficacité des transferts énergétiques dans des modèles présentant une modification d’expression ou de régulation d’une protéine impliquée dans la dynamique mitochondriale.

-Matériels et méthodes-