Structure et capacité codante de l’ADNmt 1. Taille et forme

La taille du génome mitochondrial varie en fonction des organismes, il fait plus de 2400 kb chez le melon (Cumis melo) (Alverson et al,. 2010) pour ne faire plus que 5,9 kb chez

Plasmodium falciparum (Feagin et al,. 1992), agent du paludsime, en passant par 85,7 kb chez S. cerevisiae (Foury et al., 1998), 19,4 kb chez S. pombe et 16 kb chez l'homme (Attardi &

Schatz, 1988) (Figure 4). On a ainsi une différence de taille d’un facteur d’environ 400 entre le plus grand et le plus petit génome mitochondrial connu. Ce génome peut aussi varier en forme, il peut ainsi être une molécule linéaire, circulaire, ou organisée en un ou plusieurs chromosomes. Cependant à l’heure actuelle, la forme d’un grand nombre de génomes mitochondriaux n’est pas clairement définie. Par exemple chez S. cerevisiae, le génome mitochondrial a longtemps été admis comme étant circulaire mais des études plus récentes mettent cette hypothèse en doute (Williamson, 2002 ; Bendich, 2010). Par électrophorèse en champs pulsé, il a été mis en évidence que la taille de l’ADNmt de S. cerevisiae est comprise entre 75 et 150 kb (Maleszka et

al., 1991) et que celle de l’ADNmt de S. pombe peut atteindre 100 kb (Han & Stachow, 1994),

suggérant que ces ADNmt se trouvent sous forme de concatémères, c’est-à-dire des multimères linéaires. Chez l’homme, ce même type d’analyse a permis d’identifier clairement des molécules d’ADNmt sous forme circulaire (Bendich, 1993).

Figure 5 : Composition du génome mitochondrial. Ces génomes contiennent

toujours des gènes codants pour des sous-unités des complexes respiratoires et des ARNr. Les génomes les plus « complexes » codent également des composants de la machinerie d’importation et du métabolisme des ARN. D’après Burger et al., 2003.

2. Capacité codante

Les gènes portés par les génomes mitochondriaux codent pour des produits impliqués dans 5 mécanismes de base : la respiration/phosphorylation oxydative, la traduction, et dans certains cas la transcription, la maturation des ARN et l’importation des protéines. Ainsi l’ADNmt de P. falciparum ne contient que 5 gènes codant les deux ARN ribosomaux (ARNr) ainsi que des sous-unités des complexes de la chaîne respiratoire. Chez Arabidopsis thaliana le génome mitochondrial d’environ 370 kb contient au moins 58 gènes qui codent pour 3 ARNr, 21 ARN de transfert (ARNt), 6 protéines ribosomales, une maturase, des sous-unités de la chaîne respiratoire, une protéine mttB dont la fonction est inconnue, et d’autres ORFs non caractérisées. Pour finir, le génome mitochondrial de Jakoba libera qui mesure 96 kb est en réalité très compact, puisqu’il contient une centaine de gènes codant les ARNr, des ARNt, des sous-unités des complexes I, III, IV et V de la chaîne respiratoire, des protéines ribosomales, et comporte aussi des gènes ou pseudo-gènes de fonctions inconnues qui lui sont propres (Lang et al., 1999). De façon intéressante on retrouve dans cet ADNmt des gènes typiquement bactériens comme

rpoB et rpoC, composants de l’ARN polymérase bactérienne, ainsi que tufA codant pour le

facteur d’élongation de la traduction EF-Tu. Il n’existe donc pas de corrélation directe entre la taille d’un ADNmt et son contenu en gènes (Figure 5), cependant la capacité codante des génomes mitochondriaux est en moyenne de 40-50 gènes, avec un facteur 20 entre les 2 extrêmes (Lang et al., 1999). Les facteurs qui influent le plus sur la relation entre taille et capacité codante sont les régions intergéniques et les introns. Par exemple chez le champignon filamenteux

Podospora anserina dont l’ADNmt fait 95 kb, les introns comptent pour 75% du génome, et ils

peuvent varier fortement en taille (0,15 à 4 kb) et en nombre (0 à >30) alors que chez J. libera, malgré le grand nombre de gènes, aucun ne possède d’intron, le génome est donc très compact.

3. ADNmt de l’homme et des levures

Les génomes de S. pombe, de S. cerevisiae et de l'homme comportent moins de 40 gènes (Tableau 1 et Figure 6). La plupart de ces gènes codent des ARNt. Ils sont au nombre de 25 chez les deux levures et de 22 chez l'homme. Ces gènes d'ARNt sont regroupés dans l’ADNmt de

S. cerevisiae alors qu’ils sont dispersés entre les autres génes tout au long du génome

mitochondrial chez S. pombe et chez l'homme, on dit que ce sont des génomes ponctués. Dans ces 3 génomes on retrouve 2 gènes d’ARNr. On trouve aussi chez les levures un dernier ARN impliqué dans la maturation des ARNt mitochondriaux, c’est le composant ARN de la RNase P (celle-ci étant entièrement protéique chez l'homme, voir Section II-C-2). Le reste des gènes mitochondriaux de S. pombe, de S. cerevisiae et de l'homme code pour diverses protéines qui sont pour la très grande majorité des sous-unités des complexes respiratoires. Ainsi ces 3 génomes codent pour la sous-unité Cytb du complexe III, les sous-unités Cox1, Cox2 et Cox3 du complexe IV, et les sous-unités Atp6 et Atp8, seules les levures possèdent aussi le gène d’Atp9. Le génome mitochondrial humain code en plus pour des sous unités du complexe I (ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 et ND6) les levures étant dépourvues de ce complexe comme vu précédemment (Introduction Section I-C-1). Enfin les génomes de levures possèdent aussi un gène codant pour une sous-unité du ribosome mitochondrial appelé Var1 chez S. cerevisiae et

COX1 15S ARNr 9S ARN ATP8 ATP6 CYTb ATP9 VAR1 21S ARNr COX2 COX3 RF1 S. cerevisiae 85 779 pb 15S ARNr 21S ARNr cox1 cox3 cytb atp6 rps3 atp8 atp9 cox2 rnpB S. pombe 19 431 pb ND1 ND2 COX1 COX2 ATP8 ATP6 ND3 ND4L ND5 ^ND6 CYTb 12S ARNr 16S ARNr ND4 COX3 Homme 16 596 pb ARNt Transcrit

Figure 6 : Le génome mitochondrial. Comparaison schématique des ADNmt de S. cerevisiae, S. pombe et l’homme.

D-loop

LSP HSP1

Un certain nombre d'introns présents dans les génomes mitochondriaux de levures ont la particularité d'être codants. Ces introns peuvent coder pour trois types de protéines : endonucléase, transcriptase réverse, et maturase. La plupart du temps les maturases sont impliquées dans l’excision de leur propre intron codant lors de l’épissage des ARN pré-messagers.