1. Introduction

2. Structure

3. Dynamique des mitochondries : fusion et fission

4. Rôle de la cardiolipine

5. Les transports au travers des membranes mitochondriales - La carnitine

6. L'ADN mitochondrial

7. L'édition de l'ADN mitochondrial

8. Communication intracellulaire de la mitochondrie

9. Arguments pour une origine bactérienne de la mitochondrie

10. Dégradation d'agrégats cytosoliques dans la mitochondrie

11. Mitochondrie, ferroptose et dihydro-orotate déshydrogénase

12. Liens Internet et références bibliographiques

1. Introduction

En condition aérobie, le pyruvate issu de la glycolyse est oxydé dans la mitochondrie.

L'origine de la mitochondrie semble établie : elle dérive de l'endosymbiose d'une bactérie de la classe des α-protéobactéries dans une cellule précurseur. L'origine de la double membrane mitochondriale n'est pas élucidée.

Les mitochondrie ont une structure en forme de batonnet ou de sphère de 0,5 à 1 µm de diamètre. Leur nombre est variable selon l'activité métabolique.

Ce sont des organites semi-autonomes : elles possèdent leur propre génome (ADN, gènes), des ribosomes 70S, des ARN, et une trentaine de protéines y sont synthétisées directement.

Le génome mitochondrial des plantes est beaucoup plus grand que chez les animaux (voir ci-après) : 195 à 2400 kilo paires de bases. La plupart de l'ADN en excès est non codant et la structure du génome semble trés fluide.

2. Structure

La mitochondrie est limitée par deux membranes aux propriétés très différentes :

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994) Ed. DeBoeck Universités

La membrane externe est pauvre en protéines et contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage des ions et des métabolites hydrosolubles de masse molaire < 10.000 Da.

A l'inverse, la membrane interne est très riche en protéines mais elle est quasiment impérméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles. Ces substances ne peuvent traverser la membrane qu'à l'aide de protéines membranaires de transport (l'ATP, l'ADP et le Pi sont transportés par ce type de protéines) ou par des mécanismes plus sophistiqués qu'on appelle navette.

L'espace entre ces deux membranes s'appelle l'espace intermembranaire.

Source : "Biologie" Campbell (1995) Ed. DeBoeck Universités

La zone interne de la mitochondrie (bordée par la membrane interne) s'appelle la matrice. Elle contient les enzymes du cycle de Krebs et la plupart de celles qui catalysent la β-oxydation des acides gras.

La chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries. Le nombre des crêtes accroit la surface de cette membrane et ainsi chaque mitochondrie contient des milliers d'exemplaires de la chaîne de transport d'électrons. Les crêtes pénètrent dans la matrice.

4. Rôle de la cardiolipine

La cardiolipine (diphosphatidylglycérol) est un glycérophospholipide des membranes des bactéries et des mitochondries.

La cardiolipine représente 18 à 20% des phospholipides de la membrane interne des mitochondries.

C'est un lipide caractéristique des membranes qui développent un potentiel électrochimique via le transport des électrons pour la synthèse d'ATP.

La cardiolipine a de nombreux rôles :

• elle fixe les protons à ses groupes phosphates et contribue ainsi pour beaucoup à l'imperméabilité de la membrane interne aux protons, ce qui évite la dissipation du gradient électrochimique.

• elle interagit avec l'adénine nucléotide translocase (antiport d'échange [ADP/ATP]), le symport [H⁺/H₂PO₄^-] (transporteur de phosphate inorganique), le complexe III et le complexe IV de la chaîne respiratoire, l'ATP synthase. Elle contribue à l'optimisation de leur structure et à leur orientation pour le transfert des électrons au sein de la chaîne respiratoire.

• elle intervient dans la jonction entre les deux membranes de la mitochondrie ce qui permet le passage de certaines protéines.

• elle joue un rôle dans l'importation du cholestérol pour la synthèse des stéroïdes dans la mitochondrie.

5. Les transports au travers des membranes mitochondriales - La carnitine

Voir un cours sur les types de transport membranaire.

Le canal ionique "Voltage-dependent anion-selective channel protein" (VDAC) est une porine qui semble la voie principale de passage des métabolites à travers la membrane externe. Il existe 3 isoformes de VDAC chez l'homme.

Sa structure est en forme de tonneau β (VDAC-1 : 19 brins β, représentant une nouvelle classe de protéine membranaire). Le tonneau a un diamètre interne de 2,5 nm qui permettrait le transport des acides gras, du pyruvate, des acides aminés et des nucléotides.

Le changement de conformation de ce canal anionique dépend du potentiel de membrane : ouvert pour un potentiel nul et fermé pour un potentiel de 30 - 40 mV.

Source : Brenner et al. (2011)

• L'adénine nucléotide translocase échange via un transport actif l'ADP et l'ATP. C'est une protéine constituée de 6 hélices α transmembranaires sous forme de dimère.
• C'est un antiport : l'ADP est transporté du cytoplasme vers la matrice mitochondriale et l'ATP en sens inverse. C'est le potentiel de membrane (gradient de protons) qui est la force motrice.
• Le phosphate inorganique est transporté par le symport [H⁺/H₂PO₄^-].
• Le pyruvate est transporté dans la mitochondrie par le symport [H⁺/pyruvate] translocase. C'est le potentiel de membrane (gradient de protons) qui est la force motrice.
• Le transport des acides gras au travers de la membrane interne de la mitochondrie est facilité par leur liaison à la carnitine.

L'acide gras à transporter se fixe au coenzyme-A qui est remplacé par la carnitine pour former l'acyl-carnitine (figure ci-dessous). Cette réaction est catalysée par la carnitine O-palmitoyltransférase 1.

La carnitine est ensuite reconnue par un transporteur : la carnitine/acyl-carnitine translocase ("mitochondrial carnitine/acylcarnitine carrier protein") situé dans la membrane interne. Ce transporteur échange le complexe [acide gras-carnitine] pour une carnitine libre issue de l'intérieur de la mitochondrie.

La carnitine est séparée de l'acide gras dans la matrice par la carnitine palmitoyltransférase 2 (E.C. 2.3.1.21). L'acide gras se fixe au coenzyme-A pour former un palmitoyl-CoA qui subit la β-oxydation dans la matrice.

6. L'ADN mitochondrial

Une mitochondrie contient plusieurs copies d'ADN circulaire. L'ADN mitochondrial représente moins de 1% de l'ADN total de la cellule.

L'ADN mitochondrial est compacté en agrégats appelés nucléoïdes ou mito-chromosomes. Le composant le plus abondant des nucléoïdes est le facteur de transcription A qui contribue de manière significative à la compaction de l'ADN, de manière similaire à l'action des histones.

Le génome mitochondrial chez les animaux (hérité de la mère) est une molécule d'ADN double brin de de 16,569 paires de base (beaucoup plus petit que celui des plantes) avec 435 ilots CpG et 4747 cytosines dans des sites non-CpG.

L'ADN mitochondrial contient 2 gènes d'ARN ribosomiques (12S et 16S) et 22 gènes d'ARN de transfert (représentés par les points dans la figure ci-dessous).

Source : May-Panloup et al. (2004)

La plupart des protéines de la mitochondrie sont codées par le génome nucléaire et importées dans la mitochondrie. Cependant, certaines protéines mitochondriales sont codées par l'ADN mitochondrial :

• 13 gènes codant pour des protéines de la chaîne respiratoire :
  1. ND : NADH-déshydrogénase
  2. Cyt_b : cytochrome b (ubiquinone-cytochrome c-réductase)
  3. CO : cytochrome C - oxydase
  4. ATPase : ATP-synthase

La boucle D est une courte région de contrôle de la réplication et de la transcription qui comporte deux promoteurs de la transcription (HSP : "Heavy Strand Promoter" et LSP : "Light Strand Promoter") et une origine de réplication (OH).

7. L'édition de l'ADN mitochondrial

Un type de modification post-transcriptionnel particulier est l'édition des ARN ("RNA editing"). Cette modification affecte essentiellement les ARN messagers mais également certains ARNt mitochondriaux : une conversion de C en U corrige une paire de bases incorrecte [C:A] en une paire de bases classique [U:A]. Elle a pour conséquence un changement dans la séquence en acides aminés des protéines codées.

Exemple du gène de la cytoxydase :

• la séquence nucléotidique ATT CGT GGA code pour les acides aminés Ile - Arg - Gly
• dans l'ARN, C devient U, d'où la séquence ATT UGT GGA qui code pour les acides aminés Ile - Cys - Gly
• L'édition des ARN est vitale pour les plantes car, dans l'exemple choisi, la cystéine lie un atome de cuivre qui rend la cytoxydase fonctionnelle.

Outil moléculaire pour l'édition de l'ADN mitochondrial

Une toxine sécrétée par la bactérie Burkholderia cenocepacia tue les bactéries voisines en changeant leur ADN. Cette toxine est une enzyme :

• La cytidine désaminase (DddA) spécifique de l'ADN double brin (effecteur du système de sécrétion de type VI).
• Elle catalyse la conversion de la base nucléotidique cytosine (C) en une autre base, l'uracile (U) : dCTP + H⁺ + H₂O <=> dUTP + NH₄⁺
• E.C. 3.5.4.13 - PDB : 6U08

La caractéristique principale de DddA est qu'elle cible l'ADN double brin (toutes les cytidine désaminases identifiées préalablement ciblent l'ADN simple brin).

De plus, les méthodes classiques d'édition des génomes utilisent des nucléases qui hydrolysent les 2 brins d'ADN : la DddA convertit C en U sans induire de cassures de l'ADN double brin. Cette enzyme est donc particulièrement bien adaptée à l'édition du génome mitochondrial, cet organite étant dépourvu de mécanismes efficaces de réparation de l'ADN double brin.

Cependant, la cytidine désaminase est toxique pour les cellules de mammifères :

• Le domaine toxique de DddA a été divisé en 2 parties inactives, appelées "split-DddA_tox halves".
• Ces 2 moitiés ont été fusionnées à des protéines TALE qui peuvent être conçues pour se fixer à des séquences d'ADN spécifiques.
• La fixation des deux protéines TALE à l'ADN mitochondrial rassemble les moitiés "split-DddA_tox halves" et, en conséquence, les active.

Le complexe [TALE - split-DddA_tox] doit traverser les 2 membranes mitochondriales pour atteindre l'ADN mitochondrial dans la matrice :

• Le complexe est donc marqué par une séquence d'acides aminés qui agit comme un peptide signal de ciblage mitochondrial. Cette séquence de ciblage est éliminée lorsque la construction est importée dans la matrice mitochondriale.
• L'utilisation du système d'import de protéines confère à cette méthode un avantage majeur sur les systèmes guidés par l'ARN pour l'édition des génomes tels que CRISPR-Cas9. En effet, les méthodes CRISPR ne fonctionnent pas efficacement sur l'ADN mitochondrial, probablement parce que la cellule ne possède pas de mécanisme d'import des ARN dans les mitochondries.

La DddA convertit C en U : cependant, bien que U ait les mêmes propriétés d'appariement de bases que T, c'est un nucléotide constitutif des ARN.

• En principe, U est donc hydrolysée d'un brin d'ADN par l'enzyme uracile-ADN glycosylase (UGI - E.C. 3.2.2.27) et elle est alors remplacée par C.
• Le complexe [TALE - split-DddA_tox] est fusionné avec un inhibiteur de UGI : cela protège U de UGI jusqu'au cycle suivant de réplication ou de réparation de l'ADN, auquel cas la guanine (G) du brin complémentaire (couplée avec C avant l'édition) est remplacée par l'adénine (A), le nucléotide qui s'apparie avec T.

La construction finale est constituée d'une séquence de signal de ciblage mitochondrial, d'une protéine TALE, d'une moitié "split-DddA_tox" et d'une UGI.

Source : Mok et al. (2020)

• Cette construction est efficacement importée dans les mitochondries de cellules humaines et modifie une sélection de gènes mitochondriaux.
• L'efficacité de l'édition est influencée par divers facteurs.

Source : Aushev & Herbert (2020)

8. Communication intracellulaire de la mitochondrie

Les mitochondries communiquent avec le reste des composants cellulaires via de multiples molécules de natures très diverses comme des fragments d'ADN mitochondrial, des lipides mitochondriaux (par exemple, la cardiolipine), des métabolites et des petits peptides.

Ces mécanismes de communication ne sont pas forcément liés à un dysfonctionnement mitochondrial, mais utilisés comme informations sur la base de divers indices (par exemple, le flux de nutriments ou les états rédox).

Les peptides dérivés des mitochondries ("Mitochondrial Derived Peptides", MDP) sont des micropeptides de signalisation codés par de courts cadres de lecture ouverts ("short Open Reading Frame", sORF) du génome mitochondrial.

• L'humanine est un peptide de 24 acides aminés codé par le gène MT-RNR2 de l'ARN ribosomal 16S :
  1. La protéine Bax induit l'apoptose : en effet, en réponse au stress, Bax peut se déplacer du cytosol vers la membrane externe mitochondriale où elle s'insère et favorise la mort cellulaire par la libération de cytochrome C et d'autres protéines apoptogènes. Dans les cellules de mammifères, l'humanine peut se lier à la protéine Bax ce qui empêche la translocation de Bax et donc l'apoptose.
  2. La fonction cytoprotectrice de l'humanine est médiée par son interaction avec les composants intracellulaires et extracellulaires. Ce rôle protecteur de l'humanine a également été démontré pour le réticulum endoplasmique (restauration du taux de glutathion mitochondrial appauvri par le stress lié au RE).

• Un autre MDP de type humanine, SHLP2 ("Small Humanin-Like Peptide 2"), cible spécifiquement les grains d'amyloïdes et inhibe le mauvais repliement de la chaîne polypeptidique amyloïde.

• Le court cadre de lecture ouvert de l'ARNr 12S mitochondrial code un micropeptide de 16 acides aminés, MOTS-c ("Mitochondrial Open-reading-frame of the Twelve S rRNA - c") qui favorise l'homéostasie métabolique et prévient le stress métabolique via sa translocation dans le noyau (régulée par l'AMP kinase).

Source : Valera-Alberni & Canto (2018)

• Les mitochondries sont également l'une des principales sources d'acétyl-CoA nécessaires aux histones acétyltransférases (HAT) pour l'acétylation des histones et la conformation de la chromatine transcriptionnellement active.
• L'α-cétoglutarate (αKG) formé au cours du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) est le substrat des enzymes de translocation ("ten-eleven translocation", TET) de l'histone déméthylase.
• Les mROS sont générés principalement par les complexes I et III de la chaîne de transport d'électrons et diffusent dans le cytoplasme pour activer diverses voies de signalisation et réguler la transcription de gènes spécifiques.

Les mitochondries sont des plateformes de signalisation anti-virale et, en raison de leur origine bactérienne, l'ADN mitochondrial et d'autres composants mitochondriaux déclenchent des réponses immunitaires innées et une pathologie inflammatoire. La libération dans le cytoplasme d'ADN mitochondrial active la voie cGAS ("Cyclic GMP-AMP synthase") - STING - TBK1 qui active la transcription du gène stimulé par l'interféron qui favorise l'immunité antivirale.

Ainsi, lorsqu'il est endommagé, l'ADN mitochondrial en avertit le noyau. En effet, il semble que les dommages et la libération subséquente de l'ADN mitochondrial provoquent une réponse protectrice qui augmente la réparation de l'ADN nucléaire, l'ADN mitochondrial jouant un rôle de "sentinelle de stress génotoxique".

9. Arguments pour une origine bactérienne de la mitochondrie

Le protéome mitochondrial "moderne" de l'homme consiste en :

• 13 protéines codées par l'ADN mitochondrial qui est un "vestige" du génome protéo-bactérien original. L'ADN mitochondrial code également 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomiques (voir ci-dessus).
• 1100 autres protéines codées par l'ADN génomique.

Source : Vafai & Mootha (2012)

La similarité des séquences des protéines de la mitochondrie avec celles de l'organisme vivant le plus proche des espèces ancestrales protéo-bactériennes, Rickettsia prowazekii, a été étudiée (bioinformatique). Cela a permis de déterminer que environ 800 des protéines mitochondriales codées par l'ADN génomique ont une origine protéo-bactérienne.

Un point très important est qu'environ 300 protéines mitochondriales codées par l'ADN génomique n'ont aucun homologue chez les organismes procaryotes séquences : on peut considérer ces protéines comme des innovations des eucaryotes.

Les ribosomes mitochondriaux ressemblent à ceux de certaines bactéries et l'ADN polymérase mitochondriale ressemble à celle du bactériophage.

La ribonucléotide réductase (synthèse des désoxy-ribonucléotides) n'est trouvée que dans le cytosol, mais la déficience de cette enzyme est la cause du syndrome de déplétion de l'ADN mitochondrial.

Voir un cours sur le monde ARN ("RNA world").

10. Dégradation d'agrégats cytosoliques dans la mitochondrie

Dans la levure, les protéines cytosoliques sujettes à l'agrégation sont importées dans les mitochondries pour y être dégradées. Les agrégats protéiques formés lors d'un choc thermique entrent dans l'espace intermembranaire et dans la matrice de la mitochondrie (d'autres agrégats protéiques le font même sans stress).

La dissolution rapide des agrégats cytosoliques nécessite la machinerie d'import dans la mitochondrie et des protéases :

• Le blocage de l'import dans la mitochondrie mais pas de l'activité du protéasome retarde la dégradation des protéines agrégées.
• Une déficience des HSP70 cytosoliques se traduit par une augmentation de l'import dans les mitochondries des protéines mal repliées et donc un stress mitochondrial élevé.

Source : Chacinska A. (2017)

Les agrégats cytosoliques sont attachés aux mitochondries par interaction avec des récepteurs de l'import tels que TOM70.

Les protéines individuelles dissociées des agrégats par HSP104 sont importées par le complexe d'import de la membrane externe vers l'espace intermembranaire :

Source : Ruan et al. (2017)

• soit elles sont dégradées par des protéases et des peptidases intermembranaires
• soit elles sont importées par un canal dans la membrane interne pour être dégradées par des protéases de la matrice telles que Pim1

11. Mitochondrie, ferroptose et dihydro-orotate déshydrogénase

La production d'énergie dépendante de l'oxygène au sein d'un organite entouré de deux membranes lipidiques a un coût : en effet, un tel processus génère des espèces réactives de l'oxygène ("Reactive Oxygen Species" - ROS) qui endommagent les structures cellulaires et compromettent leur fonction.

• Les ROS réagissent avec les lipides membranaires dans un processus appelé peroxydation lipidique : les peroxydes lipidiques anormaux qui en résultent déclenchent une forme de mort cellulaire non-apoptotique dépendante du fer appelée ferroptose.
• La ferroptose a été décrite pour la première fois en 2012 (Scott et al.).

Les cellules de mammifères utilisent des systèmes de protection et de réparation des effets toxiques des lipides membranaires modifiés.

• Ces cellules s'appuient principalement sur 3 systèmes dont les protéines clés sont respectivement GPX4 ("phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase"), FSP1 ("Ferroptosis Suppressor Protein 1") et DHFR2 ("DiHydroFolate Reductase 2").

• Ces systèmes impliquent également des métabolites qui existent sous forme réduite ou oxydée. Parmi ces métabolites, l'ubiquinone (ou coenzyme Q10) est un lipide qui a des fonctions à la fois dans les membranes mitochondriales et dans la membrane cellulaire. La forme réduite de l'ubiquinone, appelée ubiquinol, possède des propriétés antioxydantes et peut réparer les peroxydes lipidiques.

• Les cellules ont besoin de reconstituer en permanence l'ubiquinol pour conserver cette fonction protectrice de leurs lipides membranaires. L'enzyme FSP1 neutralise la ferroptose en générant l'ubiquinol à partir de l'ubiquinone, mais l'activité FSP1 est limitée à la membrane cellulaire.

Source : B.R. Stockwell (2019)

La peroxydation lipidique est associée à des changements importants de l'abondance des métabolites dans la voie de synthèse des bases pyrimidiques (composant de l'ADN et de l'ARN).

La plupart des composants de cette voie de synthèse sont dans le cytoplasme mais une enzyme, la dihydro-orotate déshydrogénase (quinone) (DHODH - EC 1.3.5.2), est dans les mitochondries. Cette enzyme catalyse la conversion du dihydro-orotate en orotate par une réaction d'oxydation qui utilise l'ubiquinone et génère l'ubiquinol, permettant la réparation des dommages oxydatifs des lipides mitochondriaux.

La supplémentation des cellules avec les produits finaux de la voie de synthèse des pyrimidines n'affecte pas la peroxydation lipidique : le rôle anti-ferroptotique de la DHODH est indépendant de sa fonction dans la synthèse des pyrimidines.

Source : Garcia-Bermudez & Birsoy (2021)

La DHODH synthétise donc l'ubiquinol - pour atténuer la peroxydation lipidique - exclusivement dans les mitochondries, selon un mécanisme qui est le pendant du système FSP1.