4 Transfert du calcium du reticulum endoplasmique vers le réseau mitochondrial

a) Interaction RE/mitochondries

Le reticulum endoplasmique et le réseau mitochondrial représentent d’importants volumes à l’intérieur du cytosol. Du fait de cette abondance et de leur dynamique, il est aisé d’imaginer qu’il existe des zones de rencontre entre ces deux organites. En perturbant le lien entre RE et mitochondries par protéolyse ménagée, il a été montré que les mitochondries sont alors découplées des sites de libération du calcium (Csordas, Renken et al. 2006). Ce qui confirme qu’il existe un lien physique entre le RE et les mitochondries qui a pour but de faciliter le transfert de calcium du lumen vers la matrice mitochondriale. De plus, lors de l’ajout d’EGTA et de BAPTA (chélateurs du calcium), la prise de calcium par les mitochondries est toujours possible ce qui confirme la présence de microdomaines entre le RE et les mitochondries où ont lieu ces échanges (Rizzuto, Brini et al. 1993; Szalai, Csordas et al. 2000).

Ces zones de contacts d’une distance de ~10 à 25 nm entre le RE et les mitochondries ont été observées expérimentalement (Csordas, Renken et al. 2006; Franzini-Armstrong 2007). Les zones du reticulum endoplasmique qui se trouvent à proximité des mitochondries sont appelées MAMs (figure 17) pour Mitochondria Associated ER Membranes (Vance et al. 1990), et ont été mises en évidences en utilisant des techniques d’immunocytochimie et de microscopie électronique (Rizzuto et al. 1998).

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Figure 17 :Interaction RE/Mitochondrie (Rowland and Voeltz 2012).

A : Image de microscopie électronique à transmission (MET) montrant la proximité entre une mitochondrie (au milieu) et le RE. Les cellules de poulet DT40 sont marquées avec de

l’uranyl acétate de façon à différencier les structures cellulaires des structures non

biologiques. Elles sont ensuite traitées avec du sodium bismuth selon le protocole standard (Pacher, Csordas et al. 2000). Les cellules sont ensuite scannées par un microscope électronique à transmission (modèle 7000 ; Hitachi) dirigé par le logiciel Gatan©.

B : Reconstruction en 3 dimensions du lien physique étroit entre la membrane mitochondriale et la membrane du RE. Les images obtenues par MET ont été alignées et les reconstructions tomographiques ont été calculées comme décrit précédemment (Penczek, Marko et al. 1995). Le modèle 3D a été généré par seuillage de densités en utilisant Iris Explorer (Numerical Algorithms Group). Les calculs de distances entre le réseau mitochondril et le reticulum endoplasmique ont été déterminés en utilisant le programme NIH ImageJ.

Il est maintenant établi que ces zones de contacts ne sont pas le résultat de collisions aléatoires. En effet cette proximité physique est créée et maintenue par un échafaudage protéique (Csordas, Renken et al. 2006; Boncompagni, Rossi et al. 2009; Hayashi, Martone et al. 2009). D’ailleurs dans les cellules HeLa, il a été montré lors de la libération de calcium du RE vers le cytosol que le mouvement perpétuel auquel sont soumis les mitochondries est interrompu (Rizzuto et al. 1998). Cela permettrait de stabiliser l’interaction entre le RE et le réseau mitochondrial, et ainsi de favoriser les échanges de Ca2+ entre les deux réseaux

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(Csordas, Renken et al. 2006; Garcia-Perez, Hajnoczky et al. 2008) et la synthèse des phospholipides (Rusinol, Cui et al. 1994). Ces domaines multifonctionnels sont donc d’une importance capitale pour la signalisation calcique.

b) Régulation du flux de calcium RE/mitochondries via les MAMs

Ces dernières années la recherche des protéines impliquées dans le lien physique entre RE et mitochondries a été très prolifique. Du fait des diverses distances observées expérimentalement (~10 à 25 nm), l’hypothèse qu’il s’agit d’un assemblage hétérogène de protéines a été formulée (Csordas, Renken et al. 2006). Parmi les protéines présentes dans les MAMs on peut citer (figure 18) :

- Mitofusin 2 (Mfn2)

La mitofusine est une protéine de la famille des dynamines qui est impliquée dans le processus de fusion des mitochondries. Cette protéine est présente à la fois sur la membrane externe mitochondriale et sur la membrane du RE. Il a été montré que la prise de calcium par les mitochondries était empêchée dans les cellules des souris Mfn2-/- (de Brito and Scorrano 2008).

- Binding immunoglobulin Protein (Bip) et Glucose regulating protein 75 (Grp75) Bip et Grp75 sont des chaperonnes du reticulum endoplasmique dont le rôle est d’assister le bon repliement des protéines néo synthétisées au niveau du RE. L’accumulation de protéines mal repliées dans le RE aboutit à la surcharge du protéasome, ce qui induit le stress du reticulum. Les chaperonnes protègent ainsi du stress du reticulum qui peut amener la cellule à l’apoptose. Par ailleurs, il a été montré que l’utilisation d’ARN interférants dirigés contre Grp75 et Mfn2 a pour effet de diminuer l’efficacité de capture de calcium par les mitochondries (Szabadkai, Bianchi et al. 2006; de Brito and Scorrano 2008).

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La protéine Grp75 est une protéine de la matrice mitochondriale, or il a été montré qu’il existe une portion de Grp75 extra-mitochondriale (Ran, Wadhwa et al. 2000). De plus, il a été montré par la technique du double hybride que la protéine chaperonne Grp75 interagissait avec le canal mitochondrial VDAC1 présent sur la membrane externe mitochondriale (Szabadkai, Bianchi et al. 2006).

Figure 18 : Représentation schématique des protéines présentes dans les MAMs (Decuypere et al. 2011)

- RIP3 et VDAC1

Le transfert de calcium du RE aux mitochondries serait facilité par le couplage entre R- IP3 à la membrane du RE et VDAC1 à la surface des mitochondries (Szabadkai, Bianchi et al. 2006). Il a été montré lors d’expériences de fractionnement subcellulaire de foie de rat que le R-IP3, VDAC1 et la protéine Grp75 étaient présent dans les MAMs (Szabadkai, Bianchi et al.

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2006). Toutefois, des expériences de co-immunoprécipitation sur ce même tissu, montrent que le R-IP3 et VDAC1 forment un complexe permettant les échanges de calcium entre le RE et les mitochondries grâce à la protéine Grp75 qui joue ici un rôle structurel crucial (Szabadkai, Bianchi et al. 2006).

- Récepteur sigma 1 (R-1)

Le R-1 est une protéine du RE impliquée dans la signalisation calcique qui a été identifiée dans les MAMs (Hayashi and Su 2007; Su, Hayashi et al. 2010). Des études récentes ont montré une forte teneur en R-1 au niveau de ces zones de contacts (Hayashi and Fujimoto 2010). Le R-1 est en effet retrouvé sous forme de complexe avec la protéine chaperonne BiP dans des cellules CHO (Hayashi and Su 2007). Lors de la déplétion du RE en calcium, le R-1 se dissocie de BiP et permet le transfert de calcium du RE par le R-IP3 vers la mitochondrie. Le R-1 agit ici comme un senseur de la concentration en calcium du RE et régule le transfert de calcium du RE vers la mitochondrie et la survie cellulaire. La découverte et l’étude du R-1 seront développées ci-après (cf. Chapitre 3).

c) Régulation du flux de calcium RE/mitochondries via le MCU

Suite à la stimulation par un agoniste dépendant de l’IP3, une partie du calcium libéré par le reticulum endoplasmique est pris par les mitochondries du fait de la proximité physique entre les canaux du récepteur à l’IP3. La première étape de ce transfert est le passage au travers de la membrane externe de la mitochondrie (OMM). Le calcium est pris en charge par des Voltage Dependants Anions Channels (VDACs) vers l’espace intermembranaire. Il a été montré que lors de la surexpression de VDACs, l’entrée de calcium dans les mitochondries en réponse à un agoniste était augmentée. De même la diminution de l’expression des VDACs

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entraine une diminution de la vitesse d’entrée du calcium dans les mitochondries (Madesh et al. 2001, Rapizzi et al. 2002).

Une fois dans l’espace intermembranaire, l’ion calcium doit passer la membrane interne mitochondriale (IMM) via le Mitochondrial Calcium Uniporter (MCU) inséré dans la membrane mitochondriale interne (Kirichok and Clapham 2004). Le MCU, dont l’identité moléculaire a été découverte très récemment (De Stefani et al. 2011 ; Raffaelo, de Stefani et Rizzuto 2012), a une affinité pour le calcium de l’ordre de 10 µM. Cette protéine, qui possède deux sites de liaisons du calcium du côté cytosolique qui agissent de façon coopérative pour activer l’ouverture du canal (Gunter and Pfeiffer 1990), permet l’entrée du calcium dans les mitochondries, contre le gradient de protons, et ceci grâce au potentiel mitochondrial négatif (m = -180 mv) généré par la chaine respiratoire.

Il a été montré que l’ouverture du MCU est inhibée à de fortes concentrations en calcium cytosolique de la même façon que le R-IP3. Ce comportement biphasique aurait pour rôle d’éviter l’accumulation excessive de calcium dans la matrice mitochondriale et ses effets néfastes (Moreau and Nelson 2006).