I. 5. 4. 1. Les fonctions de la dynamique mitochondrial, un bref aperçu
Outre! son! rôle! dans! le! contrôle! de! la! morphologie! des! mitochondries,! la! dynamique! mitochondriale! influence! différentes! fonctions! de! l’organite,! phénomène! largement! décrit! dans! la! littérature! (Chan! 2012;! Detmer! and! Chan! 2007;! Jayashankar! and! Rafelski! 2014;! McBride! and! Scorrano!2013;!Palikaras!and!Tavernarakis!2014).!La!dynamique!mitochondriale!n’étant!pas!le!sujet! d’étude!de!ma!thèse,!je!n’aborderai!que!brièvement!les!fonctions!associées!à!ce!mécanisme.!Il!est! clairement! établi! dans! les! levures! S.& Cerevisiae! et! S.& Pombe! que! la! fragmentation! du! réseau! mitochondrial! induite! par! l’inactivation! de! l’un! des! acteurs! de! la! fusion! (Fzo1p,! Ugo1p! ou!! mgm1p/Msp1p)!s’accompagne!de!la!perte!du!génome!mitochondrial!(Diot!et!al.!2009;!K.!Guan!et!al.! 1993;!Guillou!et!al.!2005;!Hermann!and!Shaw!1998;!Jones!and!Fangman!1992;!Meeusen!et!al.!2006;! Pelloquin!et!al.!1999;!Sesaki!and!Jensen!1999;!Wong!et!al.!2003;!Zick!et!al.!2009).!La!déplétion!ou! délétion! de! l’ADNmt! a! également! été! trouvée! dans! des! modèles! mammifères! invalidés! pour! les!
protéines! de! fusion! Mitofusines! et! OPA1,! ou! la! protéine! de! fission! DRP1! (Chen! and! Chan! 2010;! Parone! et! al.! 2008).! Ces! observations! laissent! supposer! l’existence! de! liens! très! étroits! entre! le! processus!de!dynamique!mitochondriale!et!le!maintien!de!l’ADNmt.!!
Au! cours! de! l’apoptose,! dans! plusieurs! types! cellulaires,! le! réseau! mitochondrial! se! fragmente!de!manière!DRP1!dépendante!(Arnoult!et!al.!2005;!Breckenridge!et!al.!2003;!Frank!et!al.! 2001;! Sugioka! et! al.! 2004).! Le! modèle! actuellement! proposé! est! un! lien! entre! la! dynamique! mitochondriale! et! l’apoptose!:! la! fission! rend! les! cellules! plus! sensibles! à! l’apoptose! alors! qu’à! l’inverse,! les! cellules! sont! plus! résistantes! lors! de! l’augmentation! de! la! fusion! mitochondriale! (C.! Wang!and!Youle!2009).!
De! nombreuses! études! ont! révélé! l’importance! des! acteurs! de! fusion! de! la! dynamique! mitochondriale!sur!la!phosphorylation!oxydative.!La!diminution!de!la!quantité!protéique!de!MFN2!et! OPA1! in& vitro! entraîne! un! défaut! de! respiration! cellulaire,! la! baisse! des! capacités! respiratoires! conduite!par!les!complexes!I,!III!et!IV!et!une!chute!du!potentiel!de!membrane!(H.!Chen,!Chomyn,!and! Chan! 2005a;! Pich! et! al.! 2005).! Perturber! la! fusion! mitochondriale! altèrerait! donc! le! métabolisme! énergétique.!Réciproquement,!les!mitochondries!filamenteuses!seraient!plus!énergétiques!(Jakobs!et! al.! 2003;! Rossignol! et! al.! 2004;! Skulachev! 2001).! L‘existence! d’un! processus! d’hyperfilamentation! mitochondriale! en! réponse! à! différents! stress! (SIMH)! a! été! mis! en! évidence! par! l’équipe! de! JC! Martinou!(Tondera!et!al.!2009).!La!SIMH,!qui!dépend!d’OPA1!et!de!MFN1,!confèrerait!une!résistance! accrue!aux!cellules!face!à!un!stress!grâce!à!une!élévation!de!la!production!en!ATP.!Cette!élongation! permettrait,!dans!le!cas!d’un!stress!nutritionnel,!d’empêcher!la!dégradation!des!mitochondries!par! mitophagie!(Gomes!et!al.!2011).!! La!mitophagie,!ou!l’autophagie!des!mitochondries,!joue!un!rôle!d’entretien!de!la!cellule!en! maintenant!un!«!contrôle!qualité!»!par!le!renouvellement!des!organites!et!en!dégradant!les!agrégats! protéiques! (Kim! et! al.! 2007;! Nakai! et! al.! 2007).! La! fission! des! mitochondries! permet! d’isoler! une! partie!endommagée!du!chondriome!afin!de!le!conduire!à!la!dégradation!(Twig!et!al.!2008).!La!fusion! jouerait!également!un!rôle!important!dans!le!contrôle!qualité!des!mitochondries,!en!permettant!le! mélange! du! contenu! d’une! mitochondrie! intacte! avec! une! mitochondrie! faiblement! endommagée.! Ainsi,! cette! fusion! entre! les! mitochondries! permettrait! de! complémenter! les! déficiences! fonctionnelles!de!certaines!d’entre!elles!en!restaurant!des!éléments!manquants!ou!peu!fonctionnels! par!échange!de!leur!membrane,!de!leurs!contenus!protéiques!et!en!ADNmt.!
I. 5. 4. 2. Les dysfonctions de la dynamique mitochondriale et modèles animaux
L’importance! fonctionnelle! de! la! dynamique! mitochondriale! est! mise! en! évidence! par! son! implication! dans! des! maladies! neurodégénératives.! En! effet,! de! façon! surprenante,! alors! que! la!
dynamique! mitochondriale! est! un! processus! ubiquitaire,! les! seules! pathologies! connues! à! ce! jour! liées! aux! mutations! de! ses! acteurs! provoquent! des! atteintes! neuronales.! Des! mutations! des! protéines!de!fusion!MFN2!et!OPA1!provoquent!respectivement!la!maladie!de!Charcot!Marie!Tooth! de!type!2A!(CMT2A)!et!l’Atrophie!Optique!Dominante!de!type!1!(ADOA=1).!Des!mutations!de!l’acteur! de!fission!GDAP1!sont!responsables!d’une!forme!4A!de!la!maladie!de!Charcot!Marie!Tooth!(Cuesta!et! al.!2002;!Pedrola!et!al.!2005)!et!ont!également!été!identifiées!chez!des!patients!atteints!de!CMT2A! (Cassereau!et!al.!2009).!Un!seul!cas!de!mutation!de!la!protéine!DRP1!a!été!rapporté,!présentant!une! neuropathie! associée! à! de! multiples! autres! syndromes! (concentrations! élevées! en! lactate! dans! le! sang!et!dans!le!liquide!céphalo=rachidien,!problèmes!de!développement!cérébral,!atrophie!du!nerf! optique)!chez!une!petite!fille!décédée!37!jours!après!sa!naissance!(Waterham!et!al.!2007).!
L’apparition!ces!dernières!années!des!modèles!animaux!a!permis!une!approche!plus!intégrée! de! la! dynamique! mitochondriale! et! la! mise! en! évidence! de! la! nécessité! de! ce! processus! pour! le! développement! et! la! vie! des! organismes! mammifères.! Je! présenterai! succinctement! les! modèles! murins!transgéniques!pour!l’acteur!de!fission!DRP1!et!les!acteurs!de!fusion!MFN1,!MFN2!et!OPA1.! Deux!modèles!de!souris!transgéniques!mutées!pour!le!gène!DRP1!ont!été!développés!:!un!modèle!de! délétion!de!l’exon!2!codant!une!partie!du!site!de!liaison!au!GTP!(Ishihara!et!al.!2009;!Wakabayashi!et! al.!2009)!et!un!modèle!de!mutation!au!niveau!du!domaine!GTPase!(Wakabayashi!et!al.!2009).!A!l’état! homozygotes,! ces! mutations! du! gène! codant! DRP1! sont! létales! aux! stades! E10,5/E12,5! et! E11,5! respectivement.!Des!lignées!de!cellules!souches,!dérivées!du!premier!modèle!développé!par!l’équipe! de!K.!Mihara,!présentent!des!mitochondries!agrégées!qui!possèdent!une!morphologie!tubulaire!avec! des! crêtes! mitochondriales! qui! semblent! intactes.! La! respiration! cellulaire! et! l’ADNmt! ne! sont! pas! affectés! par! la! mutation! de! DRP1.! En! revanche,! les! souris! dépourvues! de! DRP1! présentent! une! élévation!de!l’apoptose!dans!le!cerveau!en!formation,!une!diminution!du!nombre!de!synapses!et!de! neurites! mais! pas! d’atteinte! dans! les! autres! tissus.! Ce! modèle! murin! a! donc! permis! de! mettre! en! évidence!le!rôle!majeur!de!DRP1!dans!le!développement!du!tissu!nerveux.!Dans!le!deuxième!modèle! murin,!une!augmentation!de!l’apoptose!est!observée!dans!les!tubes!neuraux!aux!stades!E9,5!et!10,5! dans!les!embryons!Drp1Z/Z,!mais!pas,!en!revanche,!dans!les!MEF!Drp1Z/Z.!Pour!mieux!appréhender!le!
rôle!de!DRP1!dans!le!cerveau,!cette!équipe!a!donc!produit!une!lignée!de!souris!invalidée!pour!le!gène! DRP1! spécifiquement! dans! les! neurones! du! tronc! cérébral! et! du! cervelet.! Ces! souris! meurent! quelques!heures!après!la!naissance!et!présentent!une!réduction!du!volume!du!cervelet!qui!serait!due! à! une! diminution! de! la! prolifération! des! cellules! de! Purkinje! et! non! pas! une! augmentation! de! l’apoptose.!!
L’équipe! de! David! C! Chan! (Chen! et! al.! 2003)! a! obtenu! des! souris! transgéniques!dans! lesquelles! l’invalidation! des! gènes! MFN1! et! 2! est! due! à! l’excision! d’un! exon! intervenant! dans! le!
domaine!GTPase,!ce!qui!empêche!la!formation!de!protéines!fonctionnelles!(Chen!et!al.!2007;!Chen!et! al.!2003).!Leurs!premières!études!montrent!également!la!mort!des!embryons!homozygotes!au!stade! E11,5!de!développement.!MFN1!et!2!semblent!avoir!des!rôles!partiellement!redondants!au!niveau!du! développement!du!placenta!(Chen!et!al.!2007;!Chen!et!al.!2003).!Pour!étudier!le!rôle!des!Mitofusines! sur!le!développement,!au=delà!des!stades!embryonnaires!létaux,!les!auteurs!ont!obtenu!des!souris! transgéniques! conditionnelles! dont! l’invalidation! des! gènes! MFN1! et! 2! est! obtenue! au! stade! embryonnaire!E7.!Les!souris!conditionnelles!pour!l’expression!de!MFN1!ne!présentent!pas!de!défaut! particulier.!En!revanche,!les!souris!conditionnelles!pour!l’expression!de!MFN2!spécifiquement!dans! les!neurones!du!tronc!cérébral!et!du!cervelet,!présentent!des!altérations!dans!le!développement!et! le!maintien!de!la!structure!cérébelleuse.!La!perte!de!la!protéine!MFN2!ne!provoque!pas!un!défaut! des! mécanismes! de! mise! en! place! du! cervelet,! mais! induit! la! mort! principalement! des! cellules! de! Purkinje.!De!plus,!une!petite!proportion!des!mitochondries!de!muscles!des!souris!MFN2Z/Z!présente! des! mutations! de! l’ADN! mitochondrial.! Dans! des! souris! doubles! mutantes! MFN1Z/Z/MFN2Z/Z,! les!
muscles!montrent!à!la!fois!une!augmentation!du!nombre!de!mutations!et!du!nombre!de!délétions! par!paire!de!bases!de!l’ADN!mitochondrial!(Chen!et!al.!2010).!!
Enfin,! trois! autres! modèles! murins! d’haploinsuffisance! de! la! pathologie! ADOA=1! ont! été! développés! et! présentent! une! dégénérescence! des! cellules! ganglionnaires! de! la! rétine,! retrouvée! chez!les!patients,!mais!à!des!stades!plus!précoces.!Ces!trois!modèles!seront!abordés!en!détails!dans! le!chapitre!dédié!à!la!protéine!OPA1!et!l’ADOA=1.!!
I. 6. Dysfonctions mitochondriales et implication dans des pathologies
La! mitochondrie! est! au! cœur! de! nombreuses! fonctions! essentielles! à! la! survie! cellulaire! et! contrôle!de!plus!la!mort!des!cellules.!Ainsi,!des!dérégulations!de!cet!organite!sont!impliquées!dans!de! nombreuses!maladies!(Federico!et!al.!2012;!Schapira!2012;!Swerdlow!2009).!!