Biologie Moléculaire: ADN Mitochondrial, Cours PDF

Cours BIOLOGIE MOLECULAIRE Auteur: Dr DAGNOGO Oléfongo PhD Biologie Fonctionnelle et Moléculaire 1 Diplômé de l’Université de Technologie de Compiègne (France) ADN mitochondrial chez l’homme 2 G...

Cours BIOLOGIE MOLECULAIRE Auteur: Dr DAGNOGO Oléfongo PhD Biologie Fonctionnelle et Moléculaire 1 Diplômé de l’Université de Technologie de Compiègne (France) ADN mitochondrial chez l’homme 2 GÉNÉRALITÉS SUR LA MITOCHONDRIE Théorie de l’origine procaryotique des mitochondries Les mitochondries ont probablement évoluées à partir de bactéries procaryotes aérobies qui ont été internalisées par des cellules eucaryotes primitives 3 Arguments en faveur de la théorie endosymbiotique Pas de noyau mais 2 à 10 molécules d’ADN circulaire Homologie de séquence avec l’ADN de certaines bactéries Parenté entre mitoribosome et ribosome bactérien : sensibilité à certains antibiotiques (chloramphénicol) Composition biochimique de la membrane interne : absence de cholestérol et présence de cardiolipine 4  Fonctions mitochondriales Synthèse d’ATP : OXPHOS Production de ROS : électrons célibataires s’échappant de la chn respiratoire et transférés prématurément à l’oxygène (anion superoxyde) Thermogénèse Synthèse des hormones stéroïdes Homéostasie calcique Mort cellulaire programmée (apoptose) Autres : Production de précurseurs des acides aminés non essentiels / Synthèse de phospholipides (avec le réticulum) / Synthèse de l’hème (avec le cytosol) 5 Structure mitochondriale 6  Structure mitochondriale 4 compartiments : Membrane externe : bicouche lipidique de composition proche de la membrane plasmique (50--‐60% protéines, 50--‐40% lipides). Riche en porines (passage passif de petites molécules) Espace intermembranaire : contient des protons (rôle dans les OXPHOS), des molécules de cytochrome c (OXPHOS, apoptose) 7  Structure mitochondriale 4 compartiments : Membrane interne : bicouche lipidique différente de la mb externe (80% protéines,20% lipides), riche en cardiolipines Replis complexes dans la matrice : crêtes Riche en transporteurs (transport actif) et en complexes protéiques enzymatiques (chaine respiratoire) Matrice : ADN mt, composants nécessaires pour la transcription et traduction (ARNt, ARNm, mitoribosomes),nombreux complexes enzymétiques (beta- -‐oxydation des acides gras, cycle deKrebs) 8 Le réseau mitochondrial 9 Le réseau mitochondrial 10 Structure du réseau mitochondrial Equilibre dynamique Smirnova et al., 2001 Drp1 Opa1 Cipolat et al., 2004 James et al., 2003 hFis1 Mitofusine 1 Santel et Fuller, 2001 Niemann et al., 2005 GDAP1 Mitofusine 2 Réseau fragmenté Réseau filamenteux 11  Fusion vs Fission Fusion Fission §▪ Mitofusines : Mfn1 et Mfn2 §▪ Drp1 - Membrane externe -Cytosolique - interaction en Trans -recrutée aux sites de fission §▪ OPA1 par hFis1 - Membrane interne (crêtes ++) §▪ hFis1 … - Membrane externe 12  Production d’ATP: Les OXPHOS Le Modèle de Mitchell (1961) Le couplage entre les réactions d’oxydo- -‐réduction de la chaîne respiratoire et la synthèse d’ATP est effectué par l’intermédiaire d’un gradient de protons H+ Ext >> H+ Int 13  La chaine respiratoire Ensemble de complexes protéiques responsables de la phosphorylation oxydative Le transfert des électrons le long des complexes de la chaîne respiratoire permet le pompage des protons au travers de la membrane interne La synthèse d’ATP est couplée au transfert des électrons par le gradientde protons (Phosphorylation oxydative). 14 Origine des substrats des OXPHOS : cofacteurs réduits NADH,H+ et FADH2 15 Relation structure – fonction énergétique mitochondriale Mitochondries : Rôle central dans le métabolisme énergétique cellulaire Réseau dynamique : fission ↔ fusion Importance du contrôle de la morphologie mitochondriale dans le maintien des fonctions mitochondriales et cellulaires : Mutations des gènes OPA1, MFN2, GDAP1 è🡺 neuropathies héréditaires Olichon et al., 2003 ! OPA1 æ🡺 ∆Ψm Bach et al., 2003 æ🡺 ∆Ψm / æ🡺 complexes I, ! MFN2 Pich et al., 2005 Benard et al., 2007 ! Drp1 II, III et V æ🡺 respiration / æ🡺 Structure du réseau synthèse ATP ! activité des complexes de la CR Réseau fragmenté Cellules ρ° ! ou " ∆Ψm Benard et al., 16 2007 De Vos et  Génétique mitochondriale: L’ADN MITOCHONDRIAL Les mitochondries possédent leur propre génome (ADNmt): - Petit ADN annulaire dans les mitochondries 17  L’ADN MITOCHONDRIAL Les mitochondries possèdent leur propre génome (ADNmt) Molécule circulaire de 16,569 pdb Pas de partie non codante ADNmt contient 37 gènes codant pour : 13 sous-unités de la chN respiratoire 18  L’ADN MITOCHONDRIAL 22 ARN transfert 2 ARN ribosomaux 2-10 copies d’ADN / mitochondrie 102- 106 mitochondries / cellule soit plus de 1000 copies d’ADNmt / cellule 19  L’ADN MITOCHONDRIAL l’ANDmt est d’origine maternelle Mute 10-20x plus que ADN nucléaire Mutations ponctuelles de l’ADNmt : transmission maternelle Délétions : cas sporadiques concept de l’homo-/hétéroplasmie : expression va dépendre +/--‐ du taux d’hétéroplasmie 20  Concept d’hétéroplasmie Les mutations de l’ADNmt sont en général hétéroplasmiques = coexistence de molécules normales et mutées dans une même cellule proportion variable : entre mitochondries, entre cellules, entre tissus Détermine le phenotype = Effet seuil - Modification du phénotype au-delà d'une valeur critique d'ADNmt muté - Valeur du seuil variable selon les tissus ou les cellules 21 Concept d’hétéroplasmie 22 Double origine des protéines mitochondriales 23  Origine des pathologies mitochondriales Une mutation de l’ADNmt : Qui affecte le gène d’une sous unité d’un complexe des oxphos. Qui affecte un gène d’ARNt ou d’ARNr. Une mutation d’un gène nucléaire : Qui affecte une protéine dirigée vers les mitochondries. (sous unités d’un complexe des oxphos, protéines d’assemblages, protéines de la machinerie de replication (ADN pol γ), protéine de fission ou fusion, protéine de la maintenance de l’ADNmt 24 Origine des pathologies mitochondriales Une altération du fonctionnement mitochondrial : Due à un dysfonctionnement cellulaire : accumulation de fer mitochondrial et génération de ROS 25  Les maladies mitochondriales Maladie multi--‐systémique ou a expression tissu spécifique Mutation ADNmt Hérédité mendélienne Sporadique ou transmis 26 Le diagnostic des maladies mitochondriales 1) exploration métabolique in vivo : permet un premier dépistage des déficits de la chaîne respiratoire 2) exploration biochimique des protéines de la chaîne respiratoire ou de facteurs de contrôle du système OXPHOS 3) diagnostic moléculaire : nécessitant une approche des deux génomes, mitochondrial et nucléaire 27  Exploration in vivo: le cycle redox Un déficit enzymatique entraine une modification des équilibres d'oxydoréduction cytoplasmiques et mitochondriaux → Accumulation d'équivalents réduits (NADH, FADH) Dans la mitochondrie : transformation de l'acétoacétate en 3--‐hydroxybutyrate. ↗ du rapport 3--‐hydroxybutyrate/acétoacétate. 28  Exploration in vivo: le cycle redox Dans le cytoplasme : transformation du pyruvate en lactate ↗ du rapport lactate/pyruvate L'existence d'une hyperlactacidémie persistante et d'une perturbation des équilibres redox représente une indication formelle d'une exploration enzymologique de la chaîne respiratoire 29 Exploration in biochimique L'activité de la chaîne respiratoire est estimée par deux techniques : la polarographie : permet de mesurer la consommation d'oxygène par des fractions enrichies en mitochondries ou cellules perméabilisées. Matériel frais la spectrophotométrie: permet de mesurer les activités des complexes de la chaîne respiratoire seuls ou par groupe en utilisant des donneurs ou des accepteurs d'électrons spécifiques. Homogénats congelés 30  Etudes spectrophotométriques --‐ Homogénat de différents tissus (muscle, coeur, foie, cellules, ……) --‐ Permet de localiser un défaut au niveau d’un des complexes de la chaîne respiratoire Complexe I : NADH--‐coenzyme Q réductase Complexe II :Succinate--‐déshydrogénase (SDH) Complexe III : Ubiquinol--‐cytochrome c réductase – Complexe I + III : NADH cytochrome c réductase Complexe II +III : Succinate--‐ cytochrome c réductase Complexe IV : cytochrome c oxydase C.S. : Citrate synthétase 31  Etudes spectrophotométriques --‐ Homogénat de différents tissus (muscle, coeur, foie, cellules, ……) --‐ Permet de localiser un défaut au niveau d’un des complexes de la chaîne respiratoire Complexe I : NADH--‐coenzyme Q réductase Complexe II :Succinate--‐déshydrogénase (SDH) Complexe III : Ubiquinol--‐cytochrome c réductase – Complexe I + III : NADH cytochrome c réductase Complexe II +III : Succinate--‐ cytochrome c réductase Complexe IV : cytochrome c oxydase C.S. : Citrate synthétase 32 Polarographie 33  Diagnostic moléculaire ADNmt extrait du muscles, sang, fibroblastes… Recherche de délétion (Southern blot, PCR longue) Recherche de déplétion (Southern blot, PCR Quantitative) Recherche de mutation ponctuelle (séquençage, SSCP, DGGE, DHPLC...) 34 Diagnostic moléculaire Screening de tout l’ADNmt Méthode Surveyor : utilise une endonucléase qui reconnaît et clive les mésappariements de l’ADN double brin. Permet ainsi d’identifier les mutations hétéroplasmiques Puce de reséquençage Affymetrix (GeneChip Mitochondrial Resequencing 2.0 Array) : permet d’identifier les mutations homoplasmiques de l’ADNmt 35 36 Merci de votre attention 37