Le pore de transition de perméabilité mitochondrial (mPTP)

A- Structure

Le mPTP fut d’abord décrit par Hunter et Haworth en 1979 (Haworth and Hunter, 1979; Hunter and Haworth, 1979) comme un méga canal non sélectif. L’ouverture du pore peut être activée par le

Ca2+, le Pi et les ROS, et est inhibé par les adénine nucléotides, un pH acide, les cations divalents

comme le Mg2+ et les inhibiteurs de la CypD, la CsA et la sanglifehrin A (Halestrap et al., 2004).

Bien que les propriétés biophysiques du mPTP soient bien décrites, l’identification de ses composants moléculaires reste encore à ce jour indéterminée et soumise à de nombreux débats. Historiquement, les études biochimiques avaient suggéré que le mPTP était composé par le voltage-dependent anion channel (VDAC) à la membrane externe et par l’adenine nucleotide translocator (ANT) à la membrane interne mitochondriale, et que la CypD était le régulateur majeur située dans la matrice mitochondriale (Crompton et al., 1998).

Depuis, des études génétiques, que nous détaillons ici, ont testé l’importance de ces composants dans la structure et la fonction du mPTP et mis à jour un modèle totalement différent.

1- La cyclophiline D (CypD)

La CypD est une peptitdyl-prolyl cis-trans isomérase (PPIase) exprimée dans la matrice

mitochondriale. Bien que le rôle physiologique de la CypD ne soit pas encore élucidé, elle reste une cible thérapeutique de choix dans les pathologies cardiovasculaires, rénales et cérébrale, du fait de son rôle potentiel dans la mort cellulaire dépendante de la mitochondrie (Bonora et al., 2015). Son rôle dans la régulation du mPTP a été vérifiée génétiquement. L’implication de la CypD dans la régulation du mPTP a été découvert grâce à l’étude de la CsA, qui réduit le gonflement mitochondrial et dont la fixation à la CypD permet d’inhiber son activité (Crompton and Costi, 1988; Halestrap and Davidson, 1990). Finalement, la preuve majeur du rôle de la CypD a été vérifié par des souris CypD

KO qui présentaient une sensibilité au Ca2+ diminuée au niveau mitochondrial, ainsi qu’un stress

oxydant associé à l’ouverture du mPTP diminué (Baines et al., 2005; Nakagawa et al., 2005). En effet, l’inhibition ou la délétion de la CypD limitait l’ouverture du mPTP et réduisait la mort cellulaire provoquée soit par l’ischémie reperfusion, soit par certaines pathologies dégénératives (Baines et al., 2005; Martin et al., 2009; Millay et al., 2008; Ramachandran et al., 2011; Wissing et al., 2010).

Toutefois, le mécanisme exact par lequel la CypD régule l’ouverture du mPTP n’a pas encore été déterminé. La CypD peut lier directement de nombreux composants du mPTP.

2- VDAC

Le VDAC était historiquement considéré comme un composant majeur du mPTP au niveau de la membrane externe de la mitochondrie, dû au fait que les propriétés électrophysiologiques du mPTP et de VDAC étaient semblables et que VDAC fonctionne comme un pore non sélectif aux anions et cations (Szabó and Zoratti, 1993; Szabó et al., 1993). De plus, le fait qu’un complexe VDAC, ANT et CypD pouvait être reconstitué et formait un pore sensible à la CsA (Crompton et al., 1998) allait dans le même sens. Toutefois, des études génétiques ont pu montrer que des souris délétées pour les 3 isoformes de VDAC conservait une perméabilité de transition intacte (Baines et al., 2007), et que la

délétion de VDAC2 dans des cellules en culture augmentait le phénomène de mort cellulaire au lieu d’être protecteur (Baines et al., 2007).

Ces données permettent de conclure que VDAC ne serait qu’un composant accessoire du mPTP.

3- ANT

L’ANT est un transporteur de la membrane interne mitochondriale, impliqué dans l’import d’ADP dans la matrice mitochondriale en échange d’ATP, et donc un composant de la voie de synthèse de l’ATP (Klingenberg, 2008). Il avait été suggéré que l’ANT était un composant du mPTP puisque

l’utilisation d’un inhibiteur de l’ANT inhibait l’activité du mPTP, et vice versa avec un activateur

(Haworth and Hunter, 2000; Klingenberg, 1989). De plus, l’ANT est une cible directe de la CypD (Crompton et al., 1998).

En revanche, il a été montré que la délétion d’ANT1 et 2, au niveau des mitochondries de foie

n’abolissait pas la perméabilité de transition sensible au Ca2+, bien que le seuil d’activation était

augmenté (Kokoszka et al., 2004).

Globalement, les différentes études montrent que l’ANT ne serait pas un composant essentiel du mPTP mais jouerait clairement un rôle dans sa régulation.

4- Transporteur de phosphate inorganique ou Phosphate Carrier (PiC)

Le PiC, localisé dans la membrane interne mitochondriale, est un transporteur de phosphate inorganique (Pi) vers la matrice mitochondriale. (Palmieri, 2004). Le PiC joue donc un rôle essentiel dans l’OxPhos et la synthèse d’ATP. L’implication du PiC dans le mPTP a été suggérée, étant donné qu’une surexpression au sein de cellules 293T en culture induit la mort cellulaire (Alcalá et al., 2008). De plus, le Pi est connu pour son rôle d’activateur de l’ouverture du mPTP, puisqu’il a été montré que la liaison de la CypD au PiC était sensible à la CsA, et que l’ouverture du mPTP était corrélée avec des

Halestrap, 2012). Toutefois, l’implication de PiC fut remise en question car l’utilisation de siARN contre PiC n’a aucun effet sur l’ouverture du mPTP (Gutiérrez-Aguilar et al., 2014; Varanyuwatana and Halestrap, 2012), suggérant donc que le PiC n’était pas requis dans le phénomène de perméabilité de transition. En revanche, la délétion totale de PiC spécifiquement au niveau des cardiomyocytes diminue l’induction de l’ouverture du mPTP en réponse à la charge calcique et protège les cardiomyocytes des lésions liées à l’ischémie reperfusion (Kwong et al., 2014). Il semble

donc que la réduction d’expression versus une délétion totale de PiC ait des effets différents sur la

régulation de l’ouverture du mPTP.

L’ensemble de ces données ont permis de suggérer que le PiC n’est pas directement un composant du mPTP, mais que son effet de régulation du Pi matriciel intervient de manière secondaire dans la sensibilité d’ouverture du mPTP.

5- F1F0ATP synthase

La F1F0ATP synthase, complexe V de la chaine respiratoire, a récemment émergé comme un candidat potentiel de la structure du mPTP au niveau de la membrane interne. C’est un multi-complexe enzymatique qui couple le passage des protons à travers la membrane interne vers la matrice pour la synthèse d’ATP. Le domaine F0 est impliqué dans le transport des protons dans la membrane interne, et le domaine catalytique F1 est lié au F0 dans la matrice (Jonckheere et al., 2012). Il a été montré que la CypD pouvait moduler l’activité de l’ATP synthase en se liant à une sous-unité du complexe V et que la reconstitution du complexe V sur une bicouche lipidique démontrait une activité similaire à celle du mPTP (Giorgio et al., 2013). La reconstitution uniquement de la sous-unité c du domaine F0 entrainait la formation d’un canal voltage dépendant sensible à l’ANT mais pas à la CsA (Alavian et al., 2014). La reconstitution du complexe entier permettait de rétablir la sensibilité à la CsA.

La globalité de ces résultats apporte de nombreux arguments quant à la participation de la F1F0ATP synthase à la structure du mPTP. Toutefois, des études restent nécessaires afin de discriminer les deux modèles hypothétiques développés. D’une part, la F1F0ATP synthase pourrait se dimériser et former le mPTP, ou l’ATP synthase en monomère associé à la sous-unité c permettant de former le pore (Alavian et al., 2014; Giorgio et al., 2013).

6- Bax et Bak

En plus de leur rôle dans l’apoptose, Bax et Bak, exprimées à la membrane externe, seraient

impliqués dans la régulation du mPTP via leur capacité à induire une perméabilité de la membrane

interne mitochondriale permettant à l’ouverture du mPTP de progresser vers le gonflement mitochondrial puis éventuellement à la rupture membranaire (Karch et al., 2013). En effet, les mitochondries n’exprimant pas Bax et Bak sont résistantes à l’ouverture du mPTP, et la restauration de l’expression de Bax et Bak rétablit l’ouverture du mPTP (Karch et al., 2013). De plus, il a été montré que l’absence de Bax ou de Bak était cardioprotecteur (Karch et al., 2013) et l’absence de CypD en plus n’apportait pas de protection supplémentaire dans des cellules MEFs (Mouse Embryonic Fibroblast) (Whelan et al., 2012). D’autres protéines de la famille Bcl-2 ont été décrites pour leur rôle dans la régulation du mPTP, les protéines possédant le domaine BH4 (Bcl-xL, Bcl-2…) et celles possédant le domaine BH3 (Bad, Bnip3, Puma…) (Chen et al., 2002; Milanesi et al., 2006). Le

modèle proposé serait que la phosphorylation et l’inactivation de la GSK3β induirait un changement

dans les interactions entre les composants et les régulateurs du mPTP, provoquant un changement dans l’équilibre entre les membres de la famille Bcl-2, en faveur des membres anti-apoptotiques, augmentant le seuil de sensibilité du mPTP aux ROS