Mitochondrie :Mitochondrie : Structure et FonctionsStructure et Fonctions

GGéénome et Protnome et Protééomeome

Mitochondrie et AnesthMitochondrie et Anesthéésiesie--RRééanimationanimationVendredi 12 DVendredi 12 Déécembre 2008cembre 2008

Steve Lancel, EA2689Steve Lancel, EA2689--Dpt de Physiologie, LilleDpt de Physiologie, Lille

Un organite bien particulierUn organite bien particulier

Une cellule animale eucaryote

Réticulum endoplasmique

Lysosomes

Appareil de Golgi

Peroxysomes

Mitochondries

Son origineSon origine

Théorie endosymbiotique (Margulis)

Arguments en faveur :

●

Son propre ADN●

Composition des membranes

●

Enzymes et ribosomes, machinerie de transcription●

Renouvellement indépendant du

cycle cellulaire

D’après Lang et al., Annu. Rev. Genet., 1999

Quelques caractQuelques caractééristiquesristiques

De quelques mitochondries à

plusieurs milliers par cellule :

aucune pour les hématies

une dizaine pour les plaquettes

>1000 pour le foie

30 à 40% du volume cardiomyocytaire

Des formes variées :

filamenteuses (gonades, corticosurrénales)

granulaires (foie)

Des localisations intracellulaires particulières :

entre les myofibrilles (cœur)

autour du flagelle du spermatozoïde

Une taille moyenne de l’ordre de 1 µm de diamètre

Coeur

Spermatozoïde

StructureStructure

Membrane externe

Membrane interne

Espace intermembranaire

Crêtes

Matrice

Compartiments et ConstituantsCompartiments et Constituants

Membrane externe : Porines (VDAC)Protéines de transportTranslocases (TOM)Fusion/Fission

Espace intermembranaireCytochrome cProtéines de l’apoptose

Membrane interne / CrêtesProtéines de transportTranslocases (TIM)CardiolipinesUCP – DécouplageChaîne respiratoire ATP synthase

Matrice :β-oxydationCycle de KrebsADN mitochondrialRéplication/Transcription/Traduction

12

345

5

43

2

1

OrganisationOrganisation

Les mitochondries sont organisLes mitochondries sont organiséées es en un ren un rééseau dynamique qui est en seau dynamique qui est en perpperpéétuel mouvementtuel mouvement

Cette organisation est modifiCette organisation est modifiéée par e par les mles méécanismes de fusion et fissioncanismes de fusion et fission

Chan, Cell, 2006

Egner et al., PNAS, 2002

FissionFission

Drp1 : dynaminDrp1 : dynamin--related related proteinproteinFis1 : outerFis1 : outer--membrane membrane receptor like proteinreceptor like proteinDrp1 : protDrp1 : protééine qui se ine qui se polympolyméérise autour de la rise autour de la mitochondrie et provoque, mitochondrie et provoque, grâce grâce àà ll’’hydrolyse de GTP, la hydrolyse de GTP, la scission mitochondrialescission mitochondriale

D’après Stuart et Rehling, EMBO reports, 2008

FusionFusion

Mfn 1 / Mfn 2 : mitofusinesMfn 1 / Mfn 2 : mitofusinesLocalisLocaliséées sur la membrane es sur la membrane externeexternePossPossèèdent une activitdent une activitéé GTPaseGTPaseParticipent Participent àà la fusionla fusion

Opa1 :Opa1 :Se situe au niveau de lSe situe au niveau de l’’espace espace intermembranaire/membrane intermembranaire/membrane interneinterneParticipe au remodelage des Participe au remodelage des crêtescrêtes

Fission

FusionΔΨm élevé

Fusion/Fission : Fonctions ?Fusion/Fission : Fonctions ?

RRéégulation de la taille, du nombre et de gulation de la taille, du nombre et de la forme des mitochondries la forme des mitochondries

A chaque fission, la mitochondrie fille A chaque fission, la mitochondrie fille rereççoit au moins un nucleooit au moins un nucleoïïde, sinon, elle de, sinon, elle refusionnerefusionne

ÉÉchanges de lipides et du contenu changes de lipides et du contenu intramitochondrial (mtDNA) pour le intramitochondrial (mtDNA) pour le maintien dmaintien d’’une population saineune population saine

RRéépercussions sur le mpercussions sur le méétabolisme : tabolisme : Une diminution en Mfn inhibe Une diminution en Mfn inhibe ll’’oxydation du pyruvate, du glucose et oxydation du pyruvate, du glucose et des acides gras et diminue le des acides gras et diminue le ΔΨΔΨmm

Rôle dans le mouvement des Rôle dans le mouvement des mitochondriesmitochondries

Rôle dans la chimiotaxie des Rôle dans la chimiotaxie des lymphocytes lymphocytes

La fission favorise leur migrationLa fission favorise leur migration

D’après Detmer et Chan, Nat Rev Mol Cell Bio, 2007

Fusion/Fission : Fonctions ?Fusion/Fission : Fonctions ?

DiffDifféérenciation cellulaire renciation cellulaire

Rôle au cours du dRôle au cours du dééveloppement : des souris Mfnveloppement : des souris Mfn--//-- ou Opaou Opa--//--meurent meurent àà mimi--gestationgestation

Pathologies humaines :Pathologies humaines :Atrophie optique autosomale dominanteAtrophie optique autosomale dominanteCharcotCharcot--Marie ToothMarie Tooth

D’après Detmer et Chan, Nat Rev Mol Cell Bio, 2007

Implication dans lImplication dans l’’apoptose :apoptose :Inhiber la fission rInhiber la fission rééduit lduit l’’apoptose apoptose en empêchant la liben empêchant la libéération de ration de cytochrome ccytochrome cLes protLes protééines Bax et Bak ines Bax et Bak interagiraient avec les Mfn et interagiraient avec les Mfn et moduleraient la dynamique moduleraient la dynamique mitochondrialemitochondriale

De multiples fonctionsDe multiples fonctions

Production d’énergie

Homéostasie calcique

Apoptose

Synthèse d’hormones

Turnover de neurotransmetteurs

Production de chaleur

Signalisation cellulaire (ROS)

Synthèse de l’hème

La production dLa production d’é’énergienergie

LL’’ATP : ATP : éénergie universelle des systnergie universelle des systèèmes mes biologiques biologiques

ATP + H2

O

ADP + Pi

Energie

Besoin de coenzymes rBesoin de coenzymes rééduitsduitsGlucose Acides gras

Glut

Glucose

2 moléculesde pyruvate

β-oxydationCycle de Krebs

2 ATP

2 NADH

CD36

Acides gras

ACSCPT

ACS : Acyl-CoA synthase PDH : pyruvate dehydrogenase complex CPT : carnitine palmitoyltransferase

PDK : pyruvate dehydrogenase kinase

CACT : carnitine:acylcarnitine translocase

PDH

CACT

Lactate

PDK

La ChaLa Chaîîne Respiratoirene Respiratoire

Complexe I :NADH-UQ réductase

Complexe II : Succinate deshydrogenase

Complexe III :UQH2-Cyt C oxydoréductase

Complexe IV :Cytochrome oxydase

F0 : a1

, b2

, c10-14F1 : α3

β3

γ1

δ1

ε1

ATP SynthaseATP Synthase

Stator : α3

β3

δ1

a1

, b2Rotor : cγ1

ε1

Bilan Bilan éénergnergéétiquetiqueEtape Coenzyme ATP Source d’ATP

Glycolyse Phase d’ « investissement »

-2 Phosphorylation du Glc en G6P et du F6P en F1,6diP

Glycolyse« remboursement »

4 F1,6diP en G3P et PEP en Pyruvate

2 NADH 4 (6) Phosphorylation oxydative du NADH obtenu par la conversion du G3P

Décarboxylation du pyruvate 2 NADH 6 Phosphorylation oxydative

Cycle de Krebs 6 NADH 18 Phosphorylation oxydative

2 FADH2 4 Phosphorylation oxydative

2 Production de GTP

BILAN 36 (38) Pour une molécule de glucose

ThermogenThermogenèèsese

D’après Mozo et al., Bioscience Reports, 2005

GGéénnéération dration d’’espespèèces rces rééactives de actives de ll’’oxygoxygèènene

Stabilisation de HIF-α Modifications post-traductionnelles

Mutations de l’ADN Apoptose

Peroxydation lipidique

HomHomééostasie calciqueostasie calcique

Effets du calciumEffets du calcium

Activation de la phosphorylation Activation de la phosphorylation oxydative afin de roxydative afin de réépondre pondre àà

une une

demande en demande en éénergie plus importantenergie plus importanteLe « Love-Hate » Triangle

D’après Brookes et al., Am J Physiol Cell Physiol,

2004.

Copyright ©2007 American Physiological Society

Kroemer et al., Physiol. Rev. 2007

Pore de transition de perméabilité

Kroemer et al., Physiol. Rev. 2007.

GGéénome et nome et TranscriptomeTranscriptome

LL’’ADN mitochondrialADN mitochondrial

MolMoléécule dcule d’’ADN circulaire double brinADN circulaire double brin

2 2 àà 10 mol10 moléécules dcules d’’ADN par organiteADN par organite

Chez lChez l’’homme :homme :16 569 pb 16 569 pb 37 g37 gèènes : 13 protnes : 13 protééines, 22 ARNt, ines, 22 ARNt, 2 ARNr.2 ARNr.

Pas dPas d’’histoneshistones

Mutations associMutations associéées es àà certaines certaines pathologies neurodpathologies neurodééggéénnéératives, au ratives, au diabdiabèète et au vieillissement.te et au vieillissement.

LL’’ADN mitochondrialADN mitochondrial

1 brin l1 brin lééger et 1 brin lourdger et 1 brin lourd

Peu ou pas de rPeu ou pas de réégions interggions intergééniquesniques

Parfois overlap de certains gParfois overlap de certains gèènesnes

Absence dAbsence d’’intronsintrons

Une rUne réégion non codante : la Dgion non codante : la D--looploopOrigine de rOrigine de rééplication du brin lourdplication du brin lourdSite de transcription bidirectionnelleSite de transcription bidirectionnelle

OrganisOrganiséé en nuclen nuclééooïïdesdes

LL’’ADN mitochondrial sADN mitochondrial s’’associe avec associe avec certaines protcertaines protééines et forme ainsi ines et forme ainsi un complexe nuclun complexe nuclééosomeosome--like appellike appeléénuclnuclééooïïde de

Rôle de protection de lRôle de protection de l’’ADNmADNm

Tfam : mtTrancription Factor A ou Tfam : mtTrancription Factor A ou mtmt--TF1TF1

Environ 1000 molEnviron 1000 moléécules de Tfam par cules de Tfam par molmoléécule dcule d’’ADNmADNm

Suffisant pour recouvrir la totalitSuffisant pour recouvrir la totalitéédu gdu géénome mitochondrialnome mitochondrial

Stable

Dégradation

Dégradation

TranscriptionTranscriptionLe brin lLe brin lééger peut être entiger peut être entièèrement transcrit et grement transcrit et géénnéérer 1 ARMm et 8 rer 1 ARMm et 8 ARNtARNt

2 promoteurs pour le brin lourd HSP1 et HSP22 promoteurs pour le brin lourd HSP1 et HSP2HSP2 : transcrits polygHSP2 : transcrits polygééniques qui donneront 14ARNt, 12ARNm et 2 ARNrniques qui donneront 14ARNt, 12ARNm et 2 ARNrHSP1 : spHSP1 : spéécialiscialiséé pour la production dpour la production d’’ARNrARNr

Trancription dTrancription déépendante de gpendante de gèènes codnes codéés par le noyau :s par le noyau :La PolymLa Polyméérase POLRMT est codrase POLRMT est codéée par le noyau et est envoye par le noyau et est envoyéée vers la e vers la mitochondrie grâce mitochondrie grâce àà une sune sééquence dquence d’’adressageadressage

Tfam stimule la transcription en se fixant Tfam stimule la transcription en se fixant àà LSP et HSPLSP et HSP

Les protLes protééines mitochondrialesines mitochondriales

Forte dForte déépendance des protpendance des protééines ines codcodéées par le ges par le géénome nuclnome nuclééaireaire

D’après Scarpulla, Phys Rev, 2008

Contrôle nuclContrôle nuclééaireaire

NRF1 et NRF2 : nuclear NRF1 et NRF2 : nuclear respiratory factor 1 / 2respiratory factor 1 / 2

FT se liant au niveau de FT se liant au niveau de nombreux gnombreux gèènes ayant une nes ayant une fonction dans la respiration fonction dans la respiration mitochondriale (cytochrome c, mitochondriale (cytochrome c, complexes, Tfam, TOM) complexes, Tfam, TOM)

Les sLes sééquences de quences de reconnaissance pour NRF1 et 2 reconnaissance pour NRF1 et 2 se retrouvent souvent au sein se retrouvent souvent au sein dd’’un même promoteurun même promoteur

Exception entre homme et Exception entre homme et rongeur : pas de sites consensus rongeur : pas de sites consensus pour NRF1 dans les promoteurs pour NRF1 dans les promoteurs des gdes gèènes codant des sousnes codant des sous--unitunitéés de COX, Tfam et TFBs de COX, Tfam et TFB

D’après Scarpulla, Phys Rev, 2008

Contrôle nuclContrôle nuclééaireaire

PGCPGC--11αα : PPAR gamma coactivator 1: PPAR gamma coactivator 1Se lie Se lie àà NRF1/2 et permet la transactivation des gNRF1/2 et permet la transactivation des gèènes nes sous leur dsous leur déépendancependanceActive la synthActive la synthèèse des transcrits NRF1/2, Tfam et se des transcrits NRF1/2, Tfam et PolPolγγ

favorise la biogenfavorise la biogenèèseseAugmente lAugmente l’’expression des gexpression des gèènes de la FA oxydation et nes de la FA oxydation et de la synthde la synthèèse de lse de l’’hhèèmemeDiffDifféérents niveaux de rrents niveaux de réégulationgulation

Il existe aussi PGC1Il existe aussi PGC1ββ et PGC1et PGC1--related coactivator related coactivator PRC qui lient NRF1 et activent les gPRC qui lient NRF1 et activent les gèènes sous son nes sous son contrôlecontrôle

RRéégulation de PGCgulation de PGC--11

Contrôle rétrograde

RRéésumsuméé

Structure en double membrane avec Structure en double membrane avec son propre gson propre géénomenomeMultiples fonctionsMultiples fonctionsEn mouvement permanentEn mouvement permanentIntIntéégrateur de signauxgrateur de signauxDDéépendante du noyaupendante du noyauCible thCible théérapeutique de choixrapeutique de choix