Mitochondries Biogenèse et Dynamique PDF BAC2 Q2 2022

A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 Chapitre 6 MITOCHONDRIES BIOGENÈSE ET DYNAMIQUE I. MITOCHONDRIES : STRUCTURES ET FONCTIONS permettent le transport On a une importation Co traductionnelle avec des ribosomes à la surface de la mitochondrie ü On parle de « populatio...

A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 Chapitre 6 MITOCHONDRIES BIOGENÈSE ET DYNAMIQUE I. MITOCHONDRIES : STRUCTURES ET FONCTIONS permettent le transport On a une importation Co traductionnelle avec des ribosomes à la surface de la mitochondrie ü On parle de « population mitochondriale » car c’est un organite dynamique ü 4 compartiments (matrice, MMI, espace intermembranaire, MME) ü Génome mitochondrial : ð Des milliers de copies d’ADN mitochondrial de 16 549 pdb, qui code pour 22 ARNt, 2 ARNr, 13 ARNm de gènes codant pour des protéines de la chaîne respiratoire ð ! Pas d’histones, mais organisation en nucléoïdes : ARN circulaire avec des protéines diverses ð Pas beaucoup d’enzymes de réparation donc le génome mitochondrial est très exposé aux mutations (provenant de la chaine respiratoire, source de radicaux libres) ð Seulement 13 peptides dans les mitochondries donc la plupart des protéines doivent être importées. ð Réplication par l’ADN-polymérase gamma et cela ne se fait pas spécialement en même temps que la réplication du génome nucléaire. ð La transcription et la réplication sont liées ü Synthèse des cluster Fer-Souffre ü Folding et degradation (quality control) des protéines : ü Cycle de l’urée ü Enzymes de la GNG, ß oxydation des acides gras ü Formation des cristae par la protéine Opa1 : importante pour la structure des crêtes mitochondriales et pour la fusion des membranes mitochondriales ü Etc… voir image ü La biomasse mitochondriale = 10-12% des protéines cellulaires, >1000 protéines dont >99% doivent être importées. ü Il y a 2 ARNribosomiques mitochondriaux : le 12S et le 16S ü Transcription polycistronique : le premier transcrit couvre l’ensemble du génome et sera maturé et scindé par après. ü Hétéroplasmie : co-habitation de plusieurs formes de génome mitochondrial dans une même cellule. 81 A. Goethals x C. van der Brempt II. BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 VOIES DE SIGNALISATION PRINCIPALES QUI CONTRÔLENT LA BIOGENÈSE MITOCHONDRIALE Acteurs positifs § Insuline : facteur mitogène § NO : par l’augmentation de la concentration de GMPc § Exercice physique : par l’AMPK Actions de PGC-1a (peroxysome proliferator activator receptor, coativateur de nombreux FT) : § ERRa § PPARa § NRF-1/2 (nuclear respiratory factor) § MEF-2 ð Ces quelques FT sont co-régulés par le PGC-1a Voie du calcium : § Calmoduline-kinases sensibles au calcium généré par l’exercice physique « un petit yoghourt J» A. Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1 alpha (PGC-1 alpha) Activation de PGC-1α par phosphorylation ! La PGC-1α n’a pas d’activité histone acétylase (HAT) propre, mais recrute des acteurs dotés d’une activité HAT. Tel que SCR-1 A. La protéine p38 MAP-kinase (mitogen-activated protein kinase) (entre autres) activée permet le relargage du répresseur (R) par phosphorylation de PGC-1α. B. PGC-1α change de conformation pour se lier à des coactivateurs dotés d’une activité histone acétyltransférase (HAT) tels que SRC-1 ou CBP/p300. PGC-1α s’associe également par son extrémité N-terminale à la sous-unité de l’ARN polymérase II, impliquée dans la pré-initiation de la transcription, et par son extrémité C-terminale à la sous- unité TRAP 220 du complexe TRAP/mediator (thyroid hormone receptor-associated proteins). C. Le domaine carboxy-terminal de Pol II est ensuite phosphorylé et se dissocie des partenaires du complexe d’initiation, dont le mediator. Une nouvelle série de protéines, incluant les protéines de la machinerie d’élongation (F. élongation) et d’épissage (F. épissage), se rallient à la forme activée de Pol II. PGC-1α s’associe à ce nouveau complexe d’élongation par son extrémité carboxy-terminale. D. Enfin, PGC-1α se dissocie du facteur de transcription ou récepteur nucléaire et progresse avec le complexe d’élongation et d’épissage le long de l’ARNm pour participer, à l’épissage du préARNm. Les mitochondries sont riches en cardiolipines et pauvre en cholestérol 82 A. Goethals x C. van der Brempt III. BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 IMPORTATION ET DISTRIBUTION DES PROTÉINES MITOCHONDRIALES CODÉES PAR LE NOYAU Ne pas connaître tout le schéma 4 grands types de protéines car il y’a 4 compartiments dans la mitochondrie Les protéines qui doivent aller dans la matrice doivent pouvoir traverser la membrane § Mécanisme diffusionnel : certaines protéines sont capables de diffuser à travers les membranes § Mécanisme co-traductionnel : les ribosomes sont à la surface des mitochondries et la chaine peptidique en importation est co-traduite et se retrouve dans l’espace intermembranaire. Cette protéine contient un signal d’adressage qui la guide vers la mitochondrie, le MTS (motif de charge qui est reconnue et important) (mitochondrial targeting signal 60-70aa, pas très bien conservé, hélice amphiphile reconnue par les R de TOM ). Ensuite, elle devra passer dans la machinerie d’importation composée de ð TOM (translocase of outer membrane) : un pore (TOM40) et deux récepteurs (TOM20 et TOM70) = Capture la chaine peptidique MTS ð TIM 23 (translocase of inner membrane) ð PAM (presequence translocase associated motor) : protéine motrice qui consomme de l’ATP et qui fonctionne en tirant la chaine peptidique comme si on tirait sur une corde et assure l’entrée de la chaine peptidique dans la matrice. => il faut de l’ATP et un potentiel de membrane normal Par la suite, il y aura des processus de maturation de cette protéine par des peptidases (✂ ) § Les protéines ß-barrels sont directement extraites de la membrane par un système d’assemblage et d’extraction On reconnait une préséquence hydrophobe § OXA = translocation vers l'extérieur IV. LA MITOCHONDRIE : UN ORGANITE DYNAMIQUE Pour que la protéine rentre dans la matrice, il faut une charge nette spécifique. Dans la matrice, on a des chaperonnes ATP consommatrice A. Fusion et fission Fusion et fission de fragments mitochondriaux. Ces échanges servent à échanger des métabolites, de l’ADNmito, assurer des échanges calciques, à ségréger les mitochondries lors de division mitotique, … Les mitochondries se déplacent via les microtubules. 83 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 B. La machinerie de fission mitochondriale 1. Acteurs : FUSION : Les mitofusines Mfn1 et Mfn2 sont des protéines de membrane externe avec un domaine GTPase et (dynamin-like) des régions hélicoïdales. OPA1 réside dans l'espace intermembranaire en association avec la membrane interne (fusion MMI et organisation des crêtes). En l'absence d'OPA1 ou à la fois de Mfn1 et de Mfn2, la fusion ne peut pas avoir lieu. (=cécité en cas de mutation pour son gène) FISSION : Fis1, MFF (facteur de fission mitochondrial), MiD49 et MiD51 (protéines de la dynamique mitochondriale) sont 4 protéines de membrane externe localisées dans les mitochondries. Drp1 (protéine 1 liée à la dynamine, en coiled coil, une GTPase) déclenche la constriction, conduisant à la fission (à partir de 10nm de diamètre de constriction, le rôle de Drp1 se termine et les mitochondries se séparent).Anneau contractile qui puise son énergie via l'hydrolyse du GTP è Les modifications post-traductionnelles et les changements conformationnels contrôlent le recrutement et la sélection de Drp1 pour les partenaires protéiques è Toutes ces protéines font partie de la grande famille des dynamines (activité GTPase) (=tethering) ! Un même phénotype (cad un état fragmenté), peut avoir des origines différentes et des conséquences fonctionnelles différentes. Il est donc difficile de savoir si une mitochondrie est pleinement fonctionnelle ou pas. C'est le RE qui choisit le lieu de constriction de la mitochondrie. On suppose que c'est où se situe le génome des mitochondries (les nucléoïdes) Interaction mitochondrie et RE : 1) Homéostasie calcique (transfert vers la mito) 2) échange de phospholipides (phosphatidylcholine par exemple) 84 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 2. Le réticulum endoplasmique marque les endroits de fission C’est le RE qui décide de où doit se faire la fission de la mitochondrie. Cet endroit marqué va permettre le recrutement des facteurs de fission. Les causes ne sont pas bien connues. 3. La longueur, la taille et la connectivité mitochondriales (morphologie) sont déterminées par les taux relatifs de fusion et de fission mitochondriales Dans les cellules de type sauvage, les mitochondries forment des tubules de longueur variable. En l'absence de fusion mitochondriale (par exemple, dans les cellules invalidées en mitofusine (Mfn)), dépourvues de MFN1 et MFN2 ), la fission entraîne une population de mitochondries qui sont toutes fragmentées. À l'inverse, une diminution de la fission par rapport à la fusion (par exemple, dans les cellules DRP1 K38A, qui ont une forme dominante négative de la protéine liée à la dynamine-1 (DRP1)) entraine des mitochondries allongées et hautement interconnectées. Barre d’échelle : 10 μm. ð Important car la morphologie de la population mitochondriale va avoir un impact sur la dynamique de production d’ATP C. Mobilité mitochondriale suivant les microtubules (150-1000 nm.s) Le trajet des mitochondries se fait en suivant les microtubules. Il y’a des interactions moléculaires entre des protéines du cytosquelette et des protéines mitochondriales, comme les Mfn 1 et 2. 85 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 1. Protéines motrices Ce mécanisme fonctionne avec des protéines motrices, capables de lier et hydrolyser l’ATP et coupler cela à un changement morphologique qui fera avancer le cargo (la mitochondrie ici). § Kinésines : mouvement antérograde ð Milton : protéine adaptatrice ð Miro : protéine ancrée dans la MME et qui se complexe avec Milton en la présence de Ca (régulation par la C° calcique !) Si on a un chélation du calcium il n'y a plus de mouvement § Dynéines : mouvement rétrograde è Attachements et détachements successifs créent des mouvements saltatoires Exemple au niveau des neurones : Les mitochondries doivent être amenées vers la terminaison axonale (pour la synapse), ou vers d’autres endroit où on a besoin d’ATP. § Mouvement antérograde : corps cellulaire —> terminaison axonale (- vers +) § Mouvement rétrograde : terminaison axonale —> corps cellulaire (+ vers -) (typiquement lorsque les mitochondries ne sont plus fonctionnelles et doivent subir la mitophagie au niveau du corps cellulaire). Les mitochondries doivent donc être fragmentées en fragments plus ou moins endommagés ou plus ou moins fonctionnels et cela explique l’hétérogénéité des mitochondries à l’intérieur même d’une même cellule (potentiels de membrane mitochondrial différents, etc). 2. Mobilité mitochondriale et dégradation sont coordonnées Stop du mouvement Machinerie : § KHC = kinésine § Miro (une GTPase) § Milton ð Puis changent de conformation en fonction de l’hydrolyse de l’ATP Lorsqu’il y a un dommage mitochondrial (comme un découplage de la chaine respiratoire, un stress oxydatif, des mutations,…), il s’en suivra une dépolarisation et une voie de signalisation particulière. ð Recrutement de : mais là elle se stabilise sur la MM § PINK (ser thr kinase) : protéine dégradée constitutivement en temps normal. Elle va phosphoryler Miro (sur sa Ser 156), ce qui va permettre de recruter : § PARKIN (E3 Ub ligase). Elle va poly-Ubiquitinyler Miro, ce qui induira le détachement de Miro de Milton et de la kinésine è La mitochondrie sera détachée et dégradée par mitophagie tandis que Miro sera dégradée par le protéasome Ensuite Parkin permet le recrutement de p62 qui permet d'envoyer et d'accrocher la mitochondrie dans l'autophagosome via LC3 86 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 D. L’abondance mitochondriale : un équilibre entre biogenèse et mitophagie Dans la cellule, il n’y a pas d’endroit particulier qui génère de nouvelles mitochondries de novo !! En effet, elles s’auto-alimentent de structure existantes par des processus d’importation et font des fissions et fusions. NB : Les mitochondries « se souviennent » de ce qui est en ancien et nouveau, par les phénomènes de fission et fusion. Ségrégation lors de la division cellulaire : il faut s’assurer que les cellules filles aient au moins une composante mitochondriale fonctionnelle. Il faut cependant faire attention de ne pas léguer de fragments mitochondriaux endommagés ! On pense donc qu’il existe des mécanismes différents pour le transport de mitochondries endommagées et de mitochondries saines à léguer aux cellules filles. Au besoin, les cellules filles feront de la biogenèse de mitochondries pour s’assurer d’avoir assez de mitochondries intactes La mitochondrie est aussi un intégrateur des signaux de l’apoptose. La fragmentation des mitochondries altérées est favorable. En effet, la partie de mitochondrie altérée sera isolée et cela jouera un effet protecteur pour éviter que l’altération ne s’étende. E. Un axe AMPK - FoxO3A - Sirt3 comme mécanisme de soutien au métabolisme énergétique en cas de déficit énergétique Dans une cellule en déficit énergétique (causé par GR (Glucose restriction), l’exercice physique, une faible C° en ATP), la signalisation par l’AMPK va s’activer AMPK —> Phosphoryle FoxO3A —> FT du génome de la mitochondrie —> augmente l’expression de gènes de la chaine respiratoire —> booste la capacité respiratoire qui fournira de l’ATP. F. Biogenèse mitochondriale 1. Un double contrôle sur la biogenèse mitochondriale exercé par Sirt1 et Sirt3 87 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 Avant, on pensait : « au plus on a d’acétylCoA, au plus les protéines seront acétylées » => c’est faux En réalité, il existe 2 enzymes qui ont une activité acétyl-transférase : § GCN5 (general control non-derepressible 5) § SRC3 (steroid receptor coactivator 3) Cellule en stress énergétique : § Le ratio AMP/ATP augmente § L’AMPK est activée et va conduire à une répression de tout ce qui est consommateur d’ATP et activer tout ce qui fournit de l’ATP (donc la biogenèse mitochondriale) ! ð LKB1 (kinase) permet une régulation allostérique de l’AMPK en la phosphorylant sur la Thr 172 ?? § L’AMPK induit l’activation de la SIRT1 § La SIRT1 désacétyle la PGC-1a, ce qui l’active ð PGC-1a (co-activateur de FT de type PPAR, NRF, et autres) activée —> rentre dans le noyau et co-active le FT MyoD ð Stimulation de la voie de signalisation, mais surtout de l’activité et la biogenèse mitochondriale Gènes de NRF1/2 Gènes de SIRT3 Gènes de la PGC-1a elle-même Gènes de la LKB1 Gènes de la NAMPT —> booste la synthèse de NAD+ (facteur de l’activité de Sirt3) ð Stimule la chaine respiratoire 2. Sirt3 et dynamique mitochondriale : OPA1 EXP : Sur cellules KO pour la SIRT3, on rajoute de la SIRT3 —> on étudie l’effet de la re-expression de la Sirt3 sur la mitochondrie § Cellule avec sirtuine 3 : OPA-1 (dynamine à activité GTPase) est activée ð On observe que la morphologie des mitochondries est élongée, elles restent fusionnées § Cellule KO pour la sirtuine 3 : l’activité de OPA-1 est diminuée ð Cela démontre que lorsque la Sirt3 est activée, elle va désacétyler OPA-1 donc l’activer — > cela favorise la fusion et l’élongation des mitochondries. Par ailleurs, le potentiel de membrane est maintenu et la mitochondrie reste fonctionnelle et entière. 88 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 Dia résumé : 3. La biogenèse mitochondriale induite par l’exercice physique : rôle du NAD+/NADH Attention ! Il se trouve que la littérature rapporte des résultats différents chez les rongeurs et les humains. Exercice physique —> booste la formation de NAD+ ( = co-substrat de toutes les sirtuines) High fat diet —> effet inhibiteur car diminution de la NAD+ donc diminution de l’expression des sirtuines Sirtuine § § § Booste la biogenèse Diminue les ROS Diminue les dommages de l’ADN GCN5 : acétyltransférase qui diminue PGC-1a 89 A. Goethals x C. van der Brempt BIOCH IV – T. Arnould BAC2 Q2 - 2022 4. Sirt 1 contrôle le « turnover » mitochondrial en régulant la biogenèse ET la mitophagie Sirtuine 1 : è Réelle modulation car on a une action tantôt sur la biogenèse et tantôt sur la dégradation. La restriction calorique (peut être bénéfique) et l’exercice touchent les mêmes cibles : AMP augmente et active AMPK —> § conserve une haute C° en NAD+ —> co-active la SIRT1 qui déacétyle plusieurs cibles * § PGC1a —> NRF1/2 —> gènes codant pour des protéines mitochondriales —> booste la biogenèse mitochondriale * Sirt 1 —> active FoxO3 —> contrôle la dégradation par mitophagie (turn-over, remplacement perpétuel des mitochondries) 90