Dynamique de la mitochondrie : mouvement sur les microtubules, fusion et fission
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1. Introduction

2. Kinesine, dyneine et dynactine : protéines motrices du transport des mitochondries

3. Les protéines clé de la fission et de la fusion des mitochondries

4. Rôle de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK)

5. Mouvement des mitochondrie sur les microtubules

  • a. Les protéines Park, PINK1 et Clu
  • b. Modèle proposé pour le fonctionnement de la voie Clu et Park
  • c. Interactions PINK1, parkin et mitophagie
 

6. Les mitofusines MFN1 et MFN2

7. La membrane mitochondriale externe associée à la membrane du réticulum endoplasmique (MAM - "Mitochondria-Associated ER-Membrane")

8. Les sites de contacts [mitochondrie - RE] - Le complexe ERMES

9. Résumé de quelques interactions protéine-protéine

10. L'autophagie

11. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Introduction

Les mitochondries se déplacent le long du cytosquelette jusqu'aux sites de forte demande en énergie.

Leur morphologie change en réponse aux modifications de l'environnement et aux exigences de la différenciation cellulaire. Les mitochondries forment donc des réseaux très dynamiques et constituent des structures tubulaires et ramifiées. Des modèles sophistiqués ont été développés pour essayer de décrire cette dynamique.

Tout au long de la vie d'un neurone, les mitochondries âgées et endommagées subissent un recyclage dynamique par fusion - fission ou par élimination par le processus appelé mitophagie (une autophagie qui dégrade les mitochondries dans les lysosomes). Le temps de demi-vie des mitochondries dans le neurone est estimé à 30 jours.

Répartition de l'ADN mitochondrial

Chaque mitochondrie contient une ou plusieurs molécule(s) d'ADN mitochondrial (ADNmt) organisée(s) en complexes [ADNmt / protéines] appelés nucléoïdes. Dans les cellules qui prolifèrent, la répartition des mitochondries dans les cellules filles doit se traduire par une bonne répartition de l'ADNmt.

Chez les mammifères, les mitochondries sont transmises aux générations suivantes exclusivement par la lignée maternelle. En raison de ce mode de transmission uniparentale, l'ADNmt ne possède pas les avantages de la recombinaison résultant de la reproduction sexuée.

Source : Westermann B. (2010)

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Mouvements des mitochondries

Protéines motrices des mitochondries :

  • formines : groupe de protéines qui régulent l'actine du cytosquelette
  • kinesines : transport antérograde ("plus-end transport") sur les microtubules - du centre vers l'extrémité
  • dyneines - dynactines : transport rétrograde ("minus-end transport") sur les microtubules - de l'extrémité vers le centre
  • myosines : hydrolyse de l'ATP pour les mouvements le long des filaments d'actine

Exemple : dans le neurone, beaucoup de mitochondries sont nécessaires près des synapses et des cônes de croissance (régions de bourgeonnement de la membrane qui forment de nouveaux axones et des dendrites) dans un neurone.

Les mitochondries fusionnent ou se divisent (fission) en permanence, tant à l'intérieur des structures tubulaires qu'aux points de branchement :

  • la fusion (ontologie : GO:0008053) augmente si les mitochondries sont très mobiles. La fusion est associée à une augmentation du potentiel de membrane mitochondrial, de la consommation d'oxygène et de la production d'ATP.
  • la fission (ontologie : GO:0000266) augmente si les mitochondries sont très longues. La fission est associé à une diminution du potentiel de membrane mitochondrial, de la consommation d'oxygène, et de la production d'ATP.

Une fine balance entre ces processus opposés maintient la forme appropriée, la taille et le nombre des mitochondries. Ces deux processus sont influencés par les lipides, les charges négatives et la courbure de la bicouche lipidique.

Les cycles de fusion et de fission des membranes externe et interne sont nécessaires pour l'échange de l'ADN mitochondrial, des protéines et des lipides entre les mitochondries endommagées et les mitochondries saines afin de maintenir un ensemble robuste de mitochondries fonctionnelles.

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Source : "Dynamic Relationship of Mitochondria and Neurons"

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2. Kinesine, dyneine et dynactine : protéines motrices du transport des mitochondries

Les kinesines ("anterograde motor kinesin-1" ou "kinesin heavy chain" - Kif5) :

  • Ce sont des enzymes (protéines motrices) qui se déplacent sur les microtubules (grâce à l'hydrolyse de l'ATP par le biais de leur activité AAA+-ATPase). Elles assurent le déplacement antérograde des mitochondries sur les microtubules, c'est-à-dire le déplacement du centre vers l'extrémité ("plus-end transport").
  • Les kinésines de l'homme forment une superfamille qui comprend 14 familles (kinésine 1 à kinésine 14).

Les dyneines (associées à la dynactine - "retrograde motor [dynein/dynactin] complex") :

  • Elles assurent le déplacement rétrograde des mitochondries sur les microtubules, c'est-à-dire le déplacement de l'extrémité vers le centre ("minus-end transport").
  • Les dynéines sont composées de 4 chaînes (exemple : DYNC1H1 / DYNC1I1 / DYNC1LI1 / DYNLL1).

La dynactine est un complexe protéique multimérique composé notamment de :

  • un court filament (40 nm) de protéine ARP1 ("Actin-Related Protein 1") qui forme l'échafaudage central du complexe dynactine et relie la dyneine à la mitochondrie transportée par son interaction avec la spectrine qui recouvre la face cytoplasmique de divers organites.
  • un dimère de p150 (ou p150Glued)
  • un tétramère de p50 (ou dynamitine) qui interagit avec 2 autres adapteurs de la dyneine : "Bicaudal D" et le complexe "Rod–ZW10–Zwilch"
  • une sous-unité p24
  • un hétéro-dimère "actin-capping protein"

kinesin dynein milton miro dynamique dynamics mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire membrane interne espace intermembranaire matrice cycle Krebs dynamin carnitine OPA1 fusion fission microtubule AMPK PINK1 mitophagy mitophagie autophagy autophagie PARK Clu

Source : Schwarz TL (2013)

kinesin dynein milton miro dynamique dynamics mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire membrane interne espace intermembranaire matrice cycle Krebs dynamin carnitine OPA1 fusion fission microtubule AMPK PINK1 mitophagy mitophagie autophagy autophagie PARK Clu

Source : Cell Biology group project

La kinesine 1 et le complexe [dyneine/dynactine] sont liées aux mitochondries par leurs interactions avec 2 protéines spécifiques de la mitochondrie : Miro et Milton.

  • Miro (RHOT1 et RHOT2 - Rho GTPases - composants de la membrane externe mitochondriale) est elle-même ancrée à la membrane externe mitochondriale par son extrémité C-terminale. Gem1 ("Mitochondrial regulatory Miro GTPase") est l'orthologue de Miro chez la levure.
  • PINK1 peut phosphoryler Miro sur plusieurs sites. L'un d'eux (S156) est important pour la stimulation de la parkin. Miro est aussi un substrat de la parkin.
  • les facteurs cytosoliques Milton (TRAK1 / TRAK2) servent d'adaptateur entre Miro et la kinesine1 et le complexe [dyneine/dynactine].

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3. Les protéines clé de la fission et de la fusion des mitochondries

Les dynamines forment une superfamille de protéines qui comprend : les dynamines, les protéines "dynamin-like", OPA1, les protéines Mx ("interferon-induced GTPases"), les mitofusines/Fzo1 et les atlastines.

Elles sont impliquées notamment dans le bourgeonnement des vésicules de transport, la division des organites, la résistance aux pathogènes. Elles sont associées aux clathrines et participent à la formation de vésicules lors de l'endocytose.

Les dynamines sont des GTPases qui s'auto-assemblent en hydrolysant le GTP : l'auto-assemblage nécessite l'hydrolyse du GTP et la formation de structures d'ordre supérieur stimule l'hydrolyse du GTP.

La fission et la fusion sont régulées par des protéines apparentées à la dynamine ("Dynamin Related Proteins" - DRP).

Les DRP possèdent plusieurs domaines :

  • un domaine GTPase (GD) hautement conservé
  • deux domaines en hélice appelés "Middle Domain" (MD) et "GTPase Effector Domain" (GED)
  • un domaine très variable entre MD et GED appelé insert B
  • la région appelée BSE ("Bundle Signaling Element") est composée d'hélices appartenant aux extrémités N- et C-terminales du domaine GD et a l'extrémité C-terminale du domaine GED. BSE régule la formation de l'interface au sein d'un dimère GD-GD

PRD : "Proline-Rich Domain" / PH : "Pleckstrin Homology"

Source : Labbé et al. (2014)

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La fission des mitochondries

  • Chez les mammifères, la fission est contrôlée par l'assemblage de Drp1 ("Dynamin related protein 1, isoform A" - aussi appelée Dnm1L chez l'homme / 6 isoformes de Drp1 chez l'homme et 3 isoformes chez la souris) qui forme une structure en hélice qui entoure la surface externe des mitochondries au niveau des sites d'étranglement. L'activité de Drp1 est inhibée par phosphorylation par la protéine kinase A.
  • L'orthologue de Drp1 chez la levure s'appelle Dnm1. Le recrutement de Dnm1 nécessite la protéine Fis1 ("mitochondrial Fission 1 protein"), une protéine à domaine tétratricopeptide ancrée dans la membrane externe.

La fusion des mitochondries

  • C'est un processus particulièrement complexe car les mitochondries ont deux membranes et doivent coordonner la fusion de quatre membranes.
  • La fusion des membranes externes des mitochondries nécessite l'action des mitofusines MFN1 / MFN2 (GTPases membranaires) chez les mammifères (la mitofusine Fzo1 chez la levure).
  • La fusion des membranes internes des mitochondries nécessite l'action d'une DRP membranaire intégrale : OPA1 ("OPtic Atrophy 1" - "Dynamin-like 120 kDa protein") chez les mammifères (Mgm1 - "Mitochondrial genome maintenance protein 1", chez la levure). Chez les mammifères, il existe des formes longues L-OPA1 qui sont hydrolysées en formes courtes S-OPA1 par les protéases mitochondriales OMA1 et YME1L qui répondent à des stimuli liés aux stress ou à l'activité métabolique. L'équilibre entre les formes L-OPA1 et S-OPA1 maintient un réseau réticulaire et tubulaire de la mitochondrie. Dans des conditions de stress, OMA1 est activée et hydrolyse excessivement L-OPA1, ce qui provoque l'accumulation de S-OPA1 qui accélère la fission et fragmente le réseau.

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Source : van der Bliek et al. (2013)

Levure Homme - mammifères
Fusion Fission Fusion Fission
Fzo1 (membrane externe) Dnm1 est recrutée par Fis1 (membrane externe) MFN1 et MFN2 (membrane externe) Drp1 est recrutée par Fis1
Mgm1 (membrane interne) Les protéines Mdv1 et Caf4 servent d'adapteurs. OPA1 (membrane interne) Pas d'adapteurs identifiés
Fzo1 et Mgm1 sont connectées par la protéine Ugo1 (membrane externe) --------------- Pas d'équivalent à Ugo1 identifié ---------------
La protéase membranaire Pcp1 est impliquée dans l'épissage alternatif de Mgm1 --------------- PARL est impliquée dans la maturation de OPA1 ---------------
MPP ("Matrix-Processing Peptidase") hydrolyse la séquence d'adressage dans la matrice mitochondriale après l'import

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Source : Westermann B. (2010)

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4. Rôle de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK)

La chaîne respiratoire des mitochondries est le siège de la synthèse de l'ATP.

La protéine kinase activée par l'AMP (AMPK) est un senseur métabolique capital de la variation de l'énergie d'une cellule.

L'activation de l'AMPK :

  • accroit la production de mitochondries
  • régule directement la forme des mitochondries
  • régule le processus de dégradation intracellulaire appelé autophagie

L'AMPK est rapidement activée en réponse aux drogues qui inhibent la chaîne respiratoire (la roténone et l'antimycine A). Cette activation est probablement induite par l'augmentation du rapport des concentrations [AMP/ATP].

Drp1 est le facteur mitochondrial clé de la fission en entourant les sites de constriction de la membrane mitochondriale et en formant les complexes en spirale qui médient la scission mitochondriale.

DRP1 est principalement situé dans le cytoplasme. Cependant Drp1 est recruté sur les futurs sites de scission par un récepeur situé sur la membrane externe : le facteur de fission MFF ("Mitochondrial Fission Factor") qui intervient aussi dans la fission des peroxisomes.

Deux autres récepteurs situés sur la membrane externe participent au recrutement de Drp1 : il s'agit de MID49 et de MID51 ("Mitochondrial Dynamics protein of 49 kDa" et "Mitochondrial Dynamics protein of 51 kDa").

MFF factor mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire membrane interne espace intermembranaire Krebs dynamin carnitine DRP1 fusion fission dynamique dynamics proteine kinase active AMP AMPK autophagy

L'AMPK phosphoryle S155 et S172 de MFF ce qui augmente le recrutement de Drp1.

Ce mécanisme semble dont réguler la forme des mitochondries. L'augmentation de la fission induite par l'AMPK facilite l'élimination sélective des mitochondries endommagées par le processus d'autophagie (mécanisme de contrôle qualité en réponse à l'action de poisons).

Source : Wang & Youle (2016)

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5. Mouvement des mitochondrie sur les microtubules

a. Les protéines Park, PINK1 et Clu

Le gène PARK2 est l'un des plus longs gènes du génome de l'homme.

Ce gène code pour une protéine appelée Park2 ou parkin ("E3 ubiquitin-protein ligase parkin"). La parkin est une ubiquitine ligase E3 qui joue un rôle dans la machinerie cellulaire qui dégrade les protéines non nécessaires (endommagées ou en excès) par le marquage par l'ubiquitine puis la dégradation par les protéasomes.

PINK1 ("Phosphatase and TENsin homolog (PTEN)-INduced putative Kinase 1") est une [Ser/Thr] protéine kinase nécessaire au maintien de la morphologie et du fonctionnement de la mitochondrie, éventuellement en facilitant la [fission / fusion] mitochondriale.

  • Elle est impliquée dans le nettoyage des mitochondries endommagées (par autophagie sélective ou mitophagie) en médiant l'activation et la translocation de Park2.
  • Elle adresse Park2 aux mitochondries dépolarisées disfonctionnelles via la phosphorylation de MFN2.
  • Elle active Park2 en 2 étapes : en médiant la phosphorylation de Park2 (Ser-65) puis en médiant la phosphorylation de l'ubiquitine, ce qui convertit Park2 dans sa forme pleinement active.

Les études de la parkin et de PINK1 de la drosophile renforcent l'hypothèse que les disfonctionnements mitochondriaux sont au cœur de l'étiologie de la maladie de Parkinson.

Protéine Clu ("Clustered mitochondria protein homolog")

  • c'est une protéine impliquée dans la distribution cytoplasmique correcte des mitochondries.
  • Elle se fixe spécifiquement aux ARN messagers cytoplasmiques (codant des protéines mitochondriales) et transcrits à partir de l'ADN nucléaire.
  • Elle régule le transport ou la traduction de ces transcrits à proximité des mitochondries en jouant un rôle dans la biogénèse mitochondriale.
  • Les protéines Clu sont très conservées, en particulier le domaine Clu (région de 243 acides aminés) à 85% identique entre la drosophile et l'homme.
  • Orthologues de Clu :
    1. Dictyostelium discoideum : protéine CluA / 1320 acides aminés
    2. Drosophila melanogaster CG8443 (ou clueless) / 1448 acides aminés
    3. homme : KIAA0664 (ou CluH) / 1309 acides aminés
    4. Arabidopsis FRIENDLY (fmt)

b. Modèle proposé pour le fonctionnement de la voie Clu et Park

En conditions normales, la voie Clu et Park serait un senseur de l'état physiologique des mitochondries : elle adapterait en conséquence les mouvements des mitochondries le long des microtubules. Par exemple :

  • les mitochondries dont la concentration en substrats de la respiration est faible pourraient se déplacer vers des régions de la cellule où ces substrats sont abondants.
  • les mitochondries qui ont besoin d'être réparées pourraient se déplacer à proximité du noyau où la transcription des gènes de réparation appropriés serait induite.

La voie Clu et Park semble donc impliquée dans la santé de la mitochondrie et de la cellule en contrôlant le positionnement des mitochondries sur les microtubules, le cytosquelette fournissant le moyen de distinguer les mitochondries correctes des mitochondries défectueuses.

La voie Clu et Park a lieu dans le cytoplasme et a pour finalité de détecter l'état physiologique de la mitochondrie et d'adapter son mouvement sur les microtubules : le mouvement de la mitochondrie est contrôlé par les moteurs kinésine ("plus-end-directed" - en rose) et les moteurs dynéine ("minus-end-directed " - en bleu).

(A) En conditions normales, la modulation des activités relatives [kinésine / dynéine] par la voie Clu et Park permet à la mitochondrie de se déplacer dans les deux sens (flèches de taille égale vers la droite et vers la gauche).

(B) Quand la voie Clu et Park est défectueuse (ou que les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène sont élevés), le mouvement vers l'extrémité négative ("minus-end-directed") des microtubules est bloquée : les mitochondries se déplacent alors préférentiellement vers l'extrémité positive des microtubules (flèche plus importante).

Dans d'autres cellules, la voie Clu et Park pourrait réguler le mouvement mitochondrial par le biais d'autres types de protéines motrices.

Source : Cox & Spradling (2009)

microtubule AMPK PINK1 mitophagy mitophagie autophagy autophagie PARK Clu dynamique dynamics mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire membrane interne espace intermembranaire matrice cycle Krebs dynamin carnitine OPA1 fusion fission

c. Interaction PINK1, parkin et mitophagie

Le potentiel transmembranaire (Δψm) est utilisé pour la synthèse d'ATP et pour l'import de protéines telles que PINK1.

Lors de la dissipation de Δψm, PINK1 s'accumule sur la membrane mitochondriale externe et recrute la parkin, qui ubiquityle des protéines telles que BCL-2, VDAC1 et les mitofusines (MFN1 et MFN2).

En parallèle, le niveau accru d'AMP favorise l'activation de l'AMPK qui phosphoryle la [S/T] protéine kinase ULK1 ("Unc-51-Like Kinase 1").

L'ensemble de ces événements stimulent la mitophagie.

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Source : Galluzz et al. (2012)

PARL ("Presenilin-Associated Rhomboid-Like") : elle est essentielle pour la protéolyse d'une forme anti-apoptotique de OPA1 qui empêche la libération de cytochrome c mitochondrial en réponse aux signaux apoptoptiques intrinsèques. Elle favorise les changements de la morphologie des mitochondries.

LONP1 ("LON peptidase 1") est une protéase à serine.

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6. Les mitofusines MFN1 et MFN2

MFN1 et MFN2 :

  • se trouvent dans la membrane mitochondriale externe
  • possèdent les mêmes domaines fonctionnels
  • sont des GTPases (hydrolyse de la guanosine triphosphate - EC 3.6.5)
  • ont des fonctions communes dans la fusion des mitochondries
  • ont cependant des propriétés distinctes : en particulier, MFN1 a une affinité plus grande que MFN2 pour le GTP et une vitesse d'hydrolyse du GTP 8 fois plus élevée que celle de MFN2.

La mitofusine 1 (MFN1 - 741 acides aminés) :

  • La région N-terminale de MFN1 contient un domaine de fixation du GTP (avec 5 motifs GTPase) suivi d'un domaine super-enroulé en spirale (domaine appelé "Heptad-Repeat 1" - HR1 / acides aminés 346 - 401).
  • MFN1 possède 2 domaines transmembranaires à l'extrémité C-terminale, près d'un domaine HR2 (acides aminés 673 - 728).
  • Le domaine HR2 médie la première étape de fusion : la liaison des deux mitochondries adjacentes via la formation d'une structure super-enroulée antiparallèle dimérique. Il peut y avoir formation d'homodimère MFN1/MFN1 ou MFN2/MFN2 ou hétérodimère MFN1/MFN2.

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Source : Koshiba et al. (2004)

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Source : Chan D.C. (2006)

La mitofusine 2 (MFN2 - 757 acides aminés) contribue à déterminer la morphologie des mitochondries et à les attacher au réticulum endoplasmique (voir MAM).

MFN2 est :

  • codée par le génome nucléaire. Une synthèse élevée de MFN2 induit la formation de réseaux de mitochondries.
  • impliquée dans le nettoyage des mitochondries endommagées par autophagie sélective (mitophagie).
  • nécessaire au recrutement de Park2 par les mitochondries disfonctionnelles.
  • impliquée dans le contrôle de la réponse liée aux mauvais repliement des protéines ("Unfolded Protein Response" - UPR)
  • impliquée dans le recrutement de Drp1 et de Bax et Bak (membres pro-apoptotique de la famille Bcl-2) sur des sites mitochondriaux au cours de la phase précoce de l'apoptose.

La protéine MITOL ("E3 ubiquitin-protein ligase MARCH 5" - (EC 6.3.2), située dans membrane externe mitochondriale, régule la dynamique mitochondriale, en interagissant avec MFN2. Elle participe à l'ubiquitinylation de Fis1, Dnm1L et MFN1.

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7. La membrane mitochondriale externe associée à la membrane du réticulum endoplasmique

C'est un mécanisme de communication entre le réticulum endoplasmique (RE) et les mitochondries. Les sites de contact entre le RE et les mitochondries semblent nécessaires pour réguler la dynamique et la morphologie des mitochondries.

  • La membrane mitochondriale externe associée à la membrane du réticulum endoplasmique (MAM - "Mitochondria-Associated ER-Membrane") est une région du RE enrichie en diverses activités enzymatiques de biosynthèse de lipides.
  • La MAM est attachée de manière réversible à la mitochondrie.
  • La MAM régule l'importation de certains lipides dans les mitochondries, l'homéostasie calcique, la fonction mitochondriale, l'autophagie et l'apoptose.

Partie 2 de la figure ci-contre : au cours de la fission, Drp1 est recruté du cytosol vers la membrane mitochondriale externe où elle s'assemble avec Fis1 ("mitochondrial fission 1 protein") pour resserrer (constriction) le tubule mitochondrial.

Partie 3 : l'interaction entre le réticulum endoplasmique et les mitochondries au niveau de la MAM est essentielle pour de nombreux procédés tels que la signalisation calcique, l'activité γ-sécretase et le métabolisme des phospholipides, de l'ester de cholestérol et des acides gras.

MFN2 est une protéine de la membrane externe des mitochondries : cependant, la MAM est enrichie environ 14 fois en MFN2. En revanche, MFN1 (qui peut former un complexe avec MFN2) n'est présente que dans la membrane des mitochondries.

Source : Burté et al. (2015)

reticulum endoplasmique mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire membrane interne Krebs dynamin DRP1 OPA1 MAM fusion fission dynamique dynamics

Abréviations de la figure ci-dessus

APP : amyloid precursor protein / GDAP1 : Ganglioside-induced differentiation-associated protein 1 / Grp75 : 75 kDa glucose-regulated protein / IP3R : inositol 1,4,5-trisphosphate receptor / MCU : mitochondrial calcium uniporter protein / MFN : mitofusin / MICU1 : mitochondrial calcium uptake protein 1 / PC : phosphatidylcholine / PE : phosphatidylethalonamine / PS : phosphatidylserine / PS1 : presenilin 1 / PS2 : presenilin 2 / VDAC : voltage-dependent anion channel

γ-sécretase : complexe de protéases qui contient entre autres la presenilin 1.

Fis1 ("mitochondrial fission 1 protein") : protéine de la membrane externe mitochondriale - composant du complexe "ARCosome"

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8. Les sites de contacts [mitochondrie - RE] - Le complexe ERMES

Cliché ci-contre : la technique de tomographie électronique révèle la structure tridimensionnelle des sites de contacts (en rouge) entre les mitochondries (en violet) et les tubules du RE (en vert) chez la levure.

L'ensemble des sites de contact (qui peuvent représenter de 2 à 5% de la surface d'une mitochondrie, chez les mammifères) rapproche les deux organites à une distance de 6 à 15 nm. Une si petite distance permet l'échange de lipides et de calcium via des canaux.

Sources : Phillips & Voeltz (2016) - Cliché original : Friedman et al. (2011)

reticulum endoplasmique mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire Krebs dynamin DRP1 OPA1 MAM Mdm12 fusion fission dynamique dynamics Gem1 site contact

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, un complexe protéique appelé ERMES ("ER-Mitochondria Encounter Structure") établit de multiples sites de contact entre le RE et les mitochondries.

Chez Saccharomyces cerevisiae, ERMES est composé de 5 protéines :

  • Mmm1 ("Maintenance of mitochondrial morphology 1") : protéine intégrale de la membrane du RE
  • Mdm10, Mdm12 et Mdm34 ("Mitochondrial distribution and morphology 10 / 12 / 34") : protéines de la membrane externe mitochondriale
  • Gem1 ("Mitochondrial regulatory Miro GTPase") : protéines de la membrane externe mitochondriale - orthologue de Miro chez la levure

Source : Klecker et al. (2014)

reticulum endoplasmique mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire Krebs dynamin DRP1 OPA1 MAM Mdm12 fusion fission dynamique dynamics Gem1 site contact

Chez les animaux :

  • l'équivalent de ERMES n'est pas encore identifié.
  • des complexes [actine-myosine] sont recrutés au niveau des sites de contacts [mitochondrie - RE] par une protéine du RE : INF2 ("Inverted Formin 2")
  • Miro (RHOT1 et RHOT2 - Rho GTPases - composants de la membrane externe mitochondriale) sont des protéines très abondantes au niveau des sites de contacts [mitochondrie-RE]. Elle sont liées aux dynéines et aux kinesines par les facteurs cytosoliques Milton (TRAK1 / TRAK2) pour former le complexe moteur/adaptateur mitochondrial. Miro possèdent plusieurs domaines de fixation du calcium qui pourraient être impliqués dans la régulation liées aux flux calciques à l'interface [mitochondrie-RE].

Nom et fonctions des protéines impliquées dans les sites de contacts [mitochondrie - RE] chez les mammifères et la levure

MFN1 - MFN2
MFN2 - MFN2

MFN1 : protéine de la mitochondrie
MFN2 : protéine de la RE et mitochondrie

transfert de calcium au niveau des sites de contacts [mitochondrie - RE]
VDAC - GRP75 - Ins(1,4,5)P3R VDAC : protéine de la membrane externe mitochondriale - canal calcique
GRP75 : protéine soluble
Ins(1,4,5)P3R : protéine membranaire intégrale du RE - canal calcique

le calcium peut être transféré du RE vers la mitochondrie : Ins(1,4,5)P3R (sortie du calcium) et VDAC (entrée du calcium)
la chaperonne GRP75 couple Ins(1,4,5)P3R et VDAC

PTPIP51 - VAP PTPIP51 : protéine de la membrane externe mitochondriale avec un domaine de transfert du phosphatidylinositol phosphate
VAP : protéine membranaire intégrale du RE
transfert de lipides entre la mitochondrie et le RE
FIS1 - BAP31 FIS1 : protéine de la membrane externe mitochondriale
BAP31 : protéine membranaire intégrale du RE
l'interaction FIS1 - BAP31 participe à la transmission de la mitochondrie vers le RE des signanux liés à l'apoptose
Mmr1

Localisée au niveau des sites de contact du RE cortical chez la levure

Important pour l'héritage mitochondriale chez la levure
RE cortical : RE périphérique qui se trouve directement en dessous et attaché à la membrane plasmique

complexe ERMES Voir ci-dessus
Abréviations : MFN : mitofusin / VDAC : voltage-dependent anion channel / GRP75 : glucose-regulated protein 75 / Ins(1,4,5)P3R : inositol-1,4,5-trisphosphate receptor / Mmr1 : mitochondrial Myo2p receptor-related 1 / VAP : VAMP-associated protein

Les sites de contacts [mitochondrie-RE] sont riches en lipides et en enzymes de synthèse des lipides.

reticulum endoplasmique mitochondrie mitochondria respiration chaine respiratoire Krebs dynamin DRP1 OPA1 MAM Mdm12 fusion fission dynamique dynamics Gem1 site contact

  • L'acide phosphatidique (PA - précurseur de la cardiolipine spécifique des mitochondries) est converti en phosphatidylsérine (PS) dans la membrane du RE.
  • La phosphatidylsérine est transférée dans la membrane interne mitochondriale où elle est convertie en phosphatidyléthanolamine (PE).
  • La phosphatidyléthanolamine est transférée en retour dans la membrane du RE où elle est convertie en phosphatidylcholine (PC) qui est transportée dans la membrane interne de la mitochondrie.

Le complexe ERMES contribue à ce processus.

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9. Résumé de quelques interactions protéine-protéine

Drp1 ("Dynamin related protein 1, isoform A" - EC 3.6.5.5 - Drosophila melanogaster) interagit avec :

  • amphiphysin (AMPH) : P49418 (humain) Q7TQF7
  • le facteur de fission MFF ("Mitochondrial Fission Factor")
  • MID49 et MID51
  • mitofusine 2 (MFN2)
  • Marf ("Mitochondrial assembly regulatory factor") : GTPase qui médie la fusion
  • SH3PX1
  • PINK1 : "PTEN-induced putative kinase 1"
  • MARCH5 ("E3 ubiquitin-protein ligase MARCH 5") : régulation par ubiquitinylation
  • Mulan ou Mapl : régulation par sumoylation
  • Peroxin 19

Dnm1 ("Dynamin-related protein 1" - équivalent de Drp1 chez la levure) interagit avec :

  • Fis1 ("mitochondrial Fission 1 protein") (levure)
  • FNBP1 ("formin-binding protein 1") : Q96RU3 (humain) Q80TY0 (souris)
  • Grb2 ("Growth factor receptor-bound protein 2") : protéine adaptatrice (domaine SH2 et domaines SH3) impliquée dans la transduction du signal (récepteurs à activité tyrosine kinase) et la communication cellulaire. P62993 (humain) Q60631 (souris)
  • protéine NCK1 : protéine adaptatrice associée aux récepteurs de facteur de croissance phosphorylés. P16333 (humain) Q99M51 (souris)
  • pacsin1 ("Protein kinase C and casein kinase substrate in neurons protein 1"). Q9BY11 (humain) Q61644 (souris)
  • endophilin-A1 ("SH3 domain-containing GRB2-like protein 2" - SH3GL2). Q99962 (humain) Q62420 (souris)
  • Mdv1 : protéine adapteur

OPA1 ("OPtic Atrophy 1" - "Dynamin-like 120 kDa protein" - EC 3.6.5.5) interagit avec :

  • des transporteurs de nucléotides adényliques
  • ATP synthase
  • mitofilin ("MICOS complex subunit MIC60") : composant du complexe MICOS, un complexe de grosses protéines de la membrane interne mitochondriale qui joue un rôle crucial dans l'architecture de la membrane interne et la formation de sites de contact avec la membrane externe. Q16891 (humain) Q8CAQ8 (souris)
  • prohibitin : protéine assemblée dans une structure en forme d'anneau avec 16 - 20 sous-unités en alternance dans la membrane interne mitochondriale. P35232 (humain) P67778 (souris)
  • SAMM50 : ("Sorting and Assembly Machinery component 50 homolog"). Q9Y512 (humain) Q8BGH2 (souris)
  • SLC25A : transporteurs mitochondriaux de solutés

MFN2 interagit avec :

  • VAT1 ("Synaptic vesicle membrane protein VAT-1 homolog")
  • STOML2
  • Park2 ("E3 ubiquitin-protein ligase parkin")
  • EIF2AK3
 
  • BAK1 ("Bcl-2 homologous Antagonist/Killer")
  • LRRK2 ("Leucine-Rich Repeat serine/threonine-protein kinase 2")
  • MARCH5 ("E3 ubiquitin-protein ligase MARCH 5")
  • TCHP ("Trichoplein keratin filament-binding Protein")
  • VCP ("Transitional endoplasmic reticulum ATPase")
  • MNS1 ("Mitostatin-related protein")

Fis1 ("mitochondrial fission 1 protein") interagit avec :

  • BCAP31 ("B-cell receptor-associated protein 31"). P51572 (humain) Q61335 (souris)
  • procaspase-8
  • TBC1D15 ("TBC1 domain family member 15"). Q8TC07 (humain) Q9CXF4 (souris)
  • PEX11 family ("Peroxisomal biogenesis factor 11" - PEX11A; PEX11B; PEX11G).
  • Dnm1L ("Dynamin-1-like protein"). O00429 (humain) Q8K1M6 (souris)

La parkin ou Park2 interagit avec :

  • alpha-synucléine
  • CASK
  • culline 1
  • FBXW7 ("F-box/WD repeat-containing protein 7")
  • GPR37 ("G-protein coupled receptor 37")
  • HSPA1A
  • HSPA8 ("Heat shock 70 kDa protein 8")
 

 

  • multisynthetase complex auxiliary component p38
  • PDCD2 ("Programmed cell death protein 2")
  • SEPT5 ("Septin-5")
  • SNCAIP ("Synphilin-1")
  • STUB1 ("STIP1 homology and U-Box containing protein 1")
  • SYT11 ("Synaptotagmin-11")
  • ubiquitine C

Miro (RHOT1) interagit avec :

  • Milton (Drosophile)
  • OIP106/TRAK1 (mammifères)
  • GRIF-1/TRAK2 (mammifères)
 
  • kinesine 1 (KIF5)
  • dyneine
  • MFN1 et MFN2
  • PINK1
  • Parkin (Miro est un substrat de la Parkin)

ULK1 interagit avec :

  • GABARAP ("Gamma-aminobutyric acid receptor-associated protein")
  • SYNGAP1 ("Synaptic Ras GTPase-activating protein 1")
  • SDCBP ("Syntenin 1")
 

PARL interagit avec :

Ugo1 interagit avec : Fzo1 / MGM1 / Dnm1 / DYN3 / YLH47

 

Mdv1 interagit avec : Fis1 / Dnm1 / MDV1 / Fzo1 / DYN3

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10. L'autophagie

Yoshinori Ohsumi a reçu le prix Nobel de médecine en 2016 pour ses travaux sur l'autophagie.

L'autophagie est un processus cellulaire qui fournit un matériel cytoplasmique au lysosome pour le recyclage.

L'autophagie ou les protéines de l'autophagie interagissent avec plusieurs autres processus cellulaires tels que l'apoptose, la sécrétion et les voies de l'endocytose.

L'autophagie est stimulée au-dessus du taux de base ou de repos lorsque les nutriments sont rares, lorsque les cellules sont soumis à un stress, ou quand des bactéries intracellulaires ou des organites endommagés doivent être dégradés.

Source : Nakatogawa et al. (2009)

reticulum endoplasmique mitochondrie mitochondria respiration dynamin DRP1 OPA1 MAM Mdm12 fusion fission dynamique dynamics Gem1 autophagie autophagy phagophore autophagosome lysosome autolysosome

La formation de la membrane autophagique (qu'on appelle le phagophore) est initiée par 2 complexes :

  • Unc-51-Like autophagy-activating Kinase (ULK) complex : ULK1/2(ATG1) / FIP200 / ATG13 / ATG101
  • PhosphoInositide 3-Kinase (PI3K) complex III : Beclin1 / VPS34 / VPS15 / ATG14

Ces deux complexes sont :

  • les principaux points de régulation de l'autophagie
  • phosphorylés par l'AMPK (protéine kinase activée par l'AMP)
  • la cible de la rapamycine (mTOR)

Schéma de l'autophagie chez les mammifères

Les complexes ULK et PI3K III initient l'autophagie.

Quand l'autophagie est stimulée, une chaîne LC3-I ("ATG4-cleaved microtubule-associated protein light chain 3") est conjuguée à la phosphatidyléthanolamine (PE) pour former LC3-II par une voie analogue à l'ubiquitine, qui comprend ATG12, ATG7, ATG10, ATG5 et ATG16L

LC3-II est la forme qui permet l'allongement de la membrane du phagophore et le recrutement au phagophore.

L'autophagosome fusionne avec les lysosomes (ou la vacuole chez les plantes et la levure) pour former des autolysosomes.

Ces compartiments autophagiques dégradent le matériel cellulaire enrobé. Ils renvoient des blocs de construction comme les acides aminés vers le cytoplasme.

  • ATG ("AuTophaGy protein") : protéines de l'autophagie
  • VPS ("Vacuolar Protein sorting") : protéine du tri vacuolaire
  • FIP200 : FAK family kinase-Interacting Protein of 200 kDa
  • BECN1 : Beclin 1
  • Ub : ubiquitine

Source : Lindqvist et al. (2015)

reticulum endoplasmique mitochondrie mitochondria respiration dynamin DRP1 OPA1 MAM Mdm12 fusion fission dynamique dynamics Gem1 autophagie autophagy phagophore autophagosome lysosome autolysosome

 

11. Liens Internet et références bibliographiques

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