Contrôle drp1
2marf
6Allongement Fragmenta?on du réseau mitochondriale
Figure n°27 : Drp1 et Marf ont une ac(on antagoniste sur la morphologie mitochondriale
La morphologie mitochondriale dans les cellules musculaires larvaires est visualisée grâce à un immunomarquage du complexe V. La perte de fonc?on de drp1 (drp12) conduit à la présence d’un réseau mitochondrial allongé par rapport à la condi?on contrôle. A l’inverse, la perte de fonc?on de marf (marf6) conduit à une fragmenta?on du réseau mitochondrial.
38 Le génome de la drosophile code pour deux membres de la famille des mitofusines : fuzzy onions (fzo) et marf (mitochondrial assembly regulatory factor). Dans les spermatides précoces de drosophile, les mitochondries sont situées à proximité du noyau haploïde. Quand les spermatides maturent, les mitochondries s’agrègent et fusionnent pour former deux larges mitochondries qui s’enroulent l’une autour de l’autre. La structure sphérique ainsi obtenue est appelé Nebenkern. Lorsqu’il est observé en microscopie électronique à partir de coupes de spermatides, le Nebenkern a une apparence de tranche d’oignon à cause de la présence de membranes concentriques formées par les mitochondries enroulées. Le gène fuzzy onions tire son nom du fait que la structure du Nebenkern est altérée dans un contexte mutant (Hales and Fuller, 1997). La perte de fonction de fzo conduit à un échec de fusion des mitochondries. Toutefois, l’expression de fzo est restreinte à la lignée germinale male (Hwa et al., 2002). marf est lui exprimé de façon ubiquitaire et est impliqué dans le processus de fusion mitochondriale dans les autres tissus (Figures 26 et 27) (Deng et al., 2008; Hwa et al., 2002).
OPA1
Le gène OPA1 (Optic Atrophy 1) doit son nom au fait qu’il est retrouvé fréquemment muté chez les patients atteints d’atrophie optique autosomique dominante (Alexander et al., 2000; Delettre et al., 2000), une maladie dans laquelle les cellules ganglionnaires de la rétine dégénèrent ce qui conduit à l’atrophie du nerf optique et donc à une perte de l’acuité visuelle. La protéine OPA1 se localise au niveau de la membrane interne mitochondriale (Olichon et al., 2002). La réduction du niveau d’OPA1 conduit à la présence d’un réseau mitochondrial fragmenté du fait d’un déficit de fusion (Cipolat et al., 2004; Ishihara et al., 2006). Il a été démontré qu’OPA1 est requis pour la fusion de la membrane interne mitochondriale (Cipolat et al., 2004; Landes et al., 2010).
Un homologue d’OPA1 a été identifié chez la drosophile : il est appelé OPA1 ou OPA1-like (McQuibban et al., 2006; Yarosh et al., 2008). L’expression d’un ARNi dirigé contre OPA1 induit une fragmentation des mitochondries dans des cellules de drosophile en culture (McQuibban et al., 2006) et in vivo dans des hémocytes larvaires (Banerjee and Chinthapalli, 2014). De même, une fragmentation du réseau mitochondrial est observée suite à la perte de fonction d’OPA1 dans l’œil en développement (Yarosh et al., 2008). Ces données suggèrent fortement que le rôle d’OPA1 dans la fusion mitochondriale serait conservé chez la drosophile.
Drp1 : le principal acteur de la fission mitochondriale
Drp1 (dynamin-related protein 1) est le principal effecteur de la fission mitochondriale. Une déplétion de drp1 ou son inhibition augmente la longueur et la connectivité des mitochondries et empêche leur fragmentation (Lee et al., 2004; Sauvanet et al., 2010; Smirnova et al., 2001).
GTPase Domaine hélical Variable GED
Drp1
Figure n°28 : Recrutement de la GTPase Drp1 à la mitochondrie
(a) Représenta?on schéma?que de Drp1. Drp1 con?ent un domaine GTPase N-‐terminal nécessaire au mécanisme de fission, un domaine hélical central comparable à celui de la dynamine et un domaine effecteur de la GTPase (GED pour GTPase effector domaine) en C‑terminal.
(b) Dans les cellules de mammifères, différentes protéines peuvent servir de récepteurs pour recruter Drp1 au niveau de la membrane externe mitochondriale.
Adapté de Van der Bliek et al., 2013
a.
b.
39 Drp1 est une grande GTPase, principalement cytosolique, qui fait continuellement la navette entre le cytosol et la membrane externe mitochondriale (Smirnova et al., 2001). Au niveau de cette membrane, Drp1 n’est pas reparti uniformément, il est présent au niveau de sites restreints correspondant aux futurs sites de fission (Smirnova et al., 2001). Drp1 n’interagit pas directement avec les phospholipides membranaires, il est recruté à la mitochondrie via une interaction avec une protéine adaptatrice servant de récepteur (Figure 28). Plusieurs protéines de la membrane externe mitochondriale ont été proposées pour être le récepteur de Drp1 mais le mécanisme précis de recrutement et leur importance relative dans le processus de fission mitochondriale ne sont pas clairs. En effet, Fis1, une protéine transmembranaire de la membrane externe mitochondriale, a été longtemps considérée comme le récepteur de Drp1 du fait que la perte de fonction de fis1 inhibe le processus de fission mitochondriale. Son rôle a toutefois été remis en cause : la perte de fonction de fis1 ou sa surexpression ne perturbe pas la localisation mitochondriale de Drp1 (Lee et al., 2004; Otera et al., 2010; Suzuki et al., 2003). De plus, Fis1 est localisé uniformément dans la membrane externe mitochondriale alors que Drp1 est recruté au niveau de sites discrets (Suzuki et al., 2003). A l’inverse, la perte de fonction du gène mff (mitochondrial fission factor), codant pour une protéine de la membrane externe mitochondriale, réduit le recrutement de Drp1 à la mitochondrie. De plus, une interaction physique entre Mff et Drp1 a été mise en évidence (Otera et al., 2010). Un rôle de récepteur de Drp1 a également été proposé pour les protéines MiD49 et MiD51 (mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51 kDa) (Palmer et al., 2011). Leur surexpression conduit à une augmentation du recrutement de Drp1 à la mitochondrie et, en outre, une interaction physique a été mise en évidence par double hybride et co-immunoprécipitation (Palmer et al., 2011). Plusieurs protéines pourraient donc recruter Drp1 à la mitochondrie pour permettre la fission (Figure 28) (Loson et al., 2013). L’importance relative de ces différents récepteurs dépendrait du type cellulaire considéré.
Drp1 contient un domaine GTPase N-terminal (Figure 28) qui fournit la force mécanique nécessaire au phénomène de fission, un domaine hélical central comparable à celui de la dynamine et un domaine effecteur de la GTPase (GED pour GTPase effector domaine) en C-terminal (Ugarte-Uribe and Garcia-Saez, 2014). Une fois recruté à la mitochondrie, Drp1 s’oligomérise et forme une spirale autour de la membrane externe ce qui crée une courbure de cette membrane. Un changement de conformation de Drp1 induit par l’hydrolyse du GTP va provoquer la constriction des membranes interne et externe et finalement la fission mitochondriale (Otera et al., 2013).
L’homologue de drosophile de Drp1 a été identifié par le biais d’un crible génétique recherchant des gènes affectant la neurotransmission dans l’œil (Verstreken et al., 2005). Les synapses neuronales mutantes pour drp1 sont dépourvues de mitochondries, ces dernières sont regroupées au niveau du corps cellulaire. Cette mauvaise localisation des mitochondries conduit à un déficit en ATP au niveau de la synapse. Du fait de ce déficit, les neurones mutants sont incapables de mobiliser les vésicules synaptiques et donc échouent à maintenir une neurotransmission correcte pendant une stimulation neuronale intense (Verstreken et al., 2005). Il a, par la suite, été mis en évidence que drp1 est exprimé dans les spermatocytes de drosophile où il est requis pour une structure correcte du Nebenkern (Aldridge et al., 2007). En outre, suite à l’expression d’un ARNi dirigé contre
40 drp1 des défauts de fission mitochondriale sont observés dans des cellules de drosophile en culture (Gandre-Babbe and van der Bliek, 2008). Ces différentes études ont permis de mettre en évidence que drp1 est essentiel, chez la drosophile, pour assurer une morphologie et une distribution correcte des mitochondries, ainsi que pour le phénomène de fission mitochondriale (Figure 27). Son rôle semble donc conservé entre drosophile et mammifères. De façon intéressante, il y a une forte conservation de la séquence d’acides aminés entre les protéines Drp1 humaine et de drosophile (Debattisti and Scorrano, 2013).
Chez la drosophile, le mécanisme de recrutement de Drp1 à la mitochondrie est mal compris. En effet, il existe peu de données concernant le rôle de Fis1 dans la dynamique mitochondriale chez cet organisme même si un rôle dans la régulation de la forme des mitochondries a été suggéré (Yang et al., 2008). Toutefois une étude menée sur des cellules de drosophile en culture indique que l’expression d’un ARNi dirigé contre tango11 (l’homologue de drosophile de mff) inhibe la fragmentation mitochondriale et conduit à la présence d’un réseau allongé comparable à celui observé suite à la déplétion de drp1 (Gandre-Babbe and van der Bliek, 2008). Des études supplémentaires sont donc nécessaires pour comprendre plus précisément le mécanisme de recrutement et de fonctionnement de Drp1 à la mitochondrie, que ce soit, chez la drosophile ou chez les mammifères.
(3)Fragmentation mitochondriale : une cause ou une conséquence de l’apoptose ?
Il est aujourd’hui communément admis qu’une fragmentation du réseau mitochondrial existe au cours de l’apoptose qui survient en réponse à un grand nombre de stimulus (Martinou and Youle, 2011; Suen et al., 2008). Toutefois, le rôle de cette fragmentation mitochondriale dans le processus d’apoptose est un sujet de débat. En effet, comme on va le voir, certaines études indiquent que cette fragmentation est requise pour le déroulement correct de la mort cellulaire alors que d’autres suggèrent que cette fragmentation ne serait qu’une conséquence du processus apoptotique (Castanier and Arnoult, 2010).
Il existe plusieurs arguments en faveur d’un rôle actif de la fragmentation mitochondriale dans la régulation du processus apoptotique. Tout d’abord, cette fragmentation survient en amont de l’activation des caspases, que ce soit, dans des cellules de mammifères ou de drosophiles (Goyal et al., 2007). De plus, quelle que soit l’espèce considérée, l’inhibition des caspases ne bloque pas la fragmentation mitochondriale (Frank et al., 2001; Goyal et al., 2007). A l’inverse, et de façon intéressante, l’inhibition de drp1 conduit à une inhibition de l’activation des caspases et de la mort cellulaire, là encore, chez la drosophile et dans des cellules de mammifères (Abdelwahid et al., 2007; Cassidy-Stone et al., 2008; Frank et al., 2001; Goyal et al., 2007; Ishihara et al., 2009; Lee et al., 2004; Wakabayashi et al., 2009). Ceci laisse penser que la fission mitochondriale est requise pour l’apoptose. Toutefois, ces expériences n’excluent pas l’existence d’une fonction de Drp1 dans le processus de mort cellulaire indépendante de son rôle dans la dynamique mitochondriale. En outre, dans des cellules de mammifères, l’inhibition de drp1 inhibe la perméabilisation de la membrane externe mitochondriale et la libération du cytochrome c dans le cytosol (Frank et al., 2001; Lee et al., 2004). Par ailleurs, la surexpression de