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Biologie cellulaire
Mitochondries : génome

Sommaire

Les mitochondries sont des organites à double membrane, retrouvés dans la plupart des cellules eucaryotes, supports de la respiration en intervenant dans la phase finale de l'oxydation.

bien

La particularité de ces organites est de posséder un génome propre différent de celui du noyau cellulaire, et le plus souvent strictement maternel.

L'ADNmt évolue plus rapidement que les marqueurs génétiques nucléaires : il est très étudié dans la phylogénèse et la biologie de l'évolution, ainsi que l'étude de la parenté des populations, donc dans l'anthropologie el la biogéographie.

ADN mitochondrial et nucléaire
ADN mitochondrial et nucléaire
(Figure : vetopsy.fr)

Récemment, une étude a été réalisée chez le chien (Evolution of mtDNA variation during canid’s domestication 2017) après celle plus ancienne de Vilà (Multiple and Ancient Origins of the Domestic Dog 1997).

Origine du génome mitochondrial

Théorie endosymbiotique

La théorie endosymbiotique (symbiogénose ou symbiogenèse) est une théorie évolutionniste qui soutient que les organites des eucaryotes sont issus de l'endosymbiose de procaryotes comme des bactéries ou des archées (loupechapitre spécial).

bien

Plusieurs théories endosymbiotiques ont vu le jour, mais le modèle de l'hydrogène est particulièrement attractif (loupechapitre spécial sur les théories endosymbiotiques).

Héritage maternel

Dégradation des organelles du spermatozoïde
Dégradation des organelles du spermatozoïde
(Figure : vetopsy.fr et Rawi et coll)

Comme la fécondation sexuée implique généralement que le cytoplasme de l'œuf fécondé ne provienne que de l'ovule, l'ADNmt est strictement maternel (transmission ou hérédité non mendélienne).

1. Le spermatozoïde perd ses organites qui peuvent être éliminés (loupedevenir des organites du spermatozoïde après la fusion) :

Après la fécondation, l'endonucléase CPS-6 se déplace de l'espace intermembranaire des mitochondries paternelles dans la matrice pour dégrader l'ADNmt (Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization 2016).

  • Il agit avec l'autophagie maternelle et les mécanismes des protéasomes par marquage à l'ubiquitine pour promouvoir cette élimination.
  • La perte de CPS-6 retarde la dégradation des membranes internes mitochondriale ainsi que cette l'autophagie, et provoque une augmentation de la létalité embryonnaire, ce qui démontre que la ce mécanisme est essentiel pour le développement normal des animaux.

2. On pourrait ainsi retrouver l'Ève primordiale ou Ève mitochondriale, femme hypothétique dont tous les humains descendent.

Une méthode de FIV, le don mitochondrial (MRT, cameraMitochondrial Replacement Therapy), permet d'obtenir des cellules avec l'ADN nucléaire de la mère et l'ADNmt d'une donneuse saine lors de syndrome de Leigh, une maladie mitochondriale (loupePyruvate et maladies neurodégénératives).

Remarque : on décrit un goulot d'étranglement de l'ADN du chromosome Y, qui semble, aurait eu lieu vers 5000 ans avant J.-C., alors que la population néolithique était en pleine croissance : un seul homme a transmis son ADN contre 17 femmes.

  • On pensait que cet effondrement génétique était dû à l'évolution de la société qui produisait des " chefs ", élite qui pouvait se reproduire. Les études mathématiques, et les inégalités sociales augmentant après cet épisode, montrent qu'il n'en est rien.
  • L'hypothèse récente suppose que les clans se fondaient sur des lignées paternelles dont tous les hommes partageaient un ancêtre commun, et donc le même chromosome Y. Les guerres claniques étant très fréquentes, le massacre des guerriers éteignait donc la transmission de ce chromosome et la diversité génétique.

Ce goulot d'étranglement de population n'est pas de même nature que celui des ADNmt " féminins " (loupecontrôle de la qualité mitochondriale et ovogenèse).

Carte des migrations humaines selon l’ADN mitochondrial
Carte des migrations humaines selon l’ADN mitochondrial
(Figure : vetopsy.fr d'après Avsa)

3. Les mitochondries doivent aussi se reproduire, et ce de manière asexuée, en se divisant indépendamment de la cellule, pour pouvoir s'adapter au métabolisme cellulaire.

bien

Cette division s'appelle fission, et liée à la fusion mitochondriale, elle permet la création d'un chondriome, réseau de mitochondries, très dynamique.

Cette fission pose aussi le problème ds mutations délétères de cet ADNmt et comment elles peuvent être éliminées (loupe contrôle de la qualité mitochondriale et fusion).

Héritage doublement uniparental

Cet héritage doublement uniparental (DUI, doubly uniparental inheritance) se retrouve chez mollusques bivalves (Deciphering the Link between Doubly Uniparental Inheritance of mtDNA and Sex Determination in Bivalves: Clues from Comparative Transcriptomics 2018).

Moules perlières d'eu douce
Moules perlières d'eu douce
(Figure : Joel Berglund)

Les bivalves présentent une étonnante diversité de systèmes sexuels et de mécanismes de détermination du sexe (gonochorique, un seul sexe, hermaphrodite, les deux sexes à la fois ou changeant de sexe au cours de leur vie ou androgénétique, mâle), selon des facteurs génétiques et environnementaux.

Les ORF (Open Reading Frame, en français cadre de lecture ouvert ou phase ouverte de lecture) est une partie d'un cadre de lecture (RF ou Reading Frame), i,.e. regroupement des nucléotides constituant la séquence d'un ADN ou d'un ARN en triplets consécutifs qui se succèdent sans interruption ni recouvrement, susceptible d'être traduit en protéine ou en peptide. En général, cet ORF commence par un codon d'initiation (habituellement AUG) et se finit par un codon d'arrêt (généralement UAA, UAG ou UGA). Un codon ATG dans l'ORF indique où la traduction commence.

Ces gènes pourraient des éléments clés d'un système de détermination du sexe impliquant les mitochondries, c'est-à-dire qu'ils peuvent jouer un rôle dans le maintien d'un système reproducteur gonochorique avec des sexes masculins et féminins séparés (Novel Protein Genes in Animal mtDNA: A New Sex Determination System in Freshwater Mussels (Bivalvia: Unionoida)? 2011).

Un processus d'ubiquitination spécial chez les bivalves mâles permettrait aux mitochondries du sperme et à leurs génomes M d'échapper à la dégradation et d'envahir les cellules germinales (De Novo Assembly of the Manila Clam Ruditapes philippinarum Transcriptome Provides New Insights into Expression Bias, Mitochondrial Doubly Uniparental Inheritance and Sex Determination 2012).

Fibroblaste et ADN mitochondrial
Fibroblaste et ADN mitochondrial
(Figure : The Meyer Lab at Duke)

Héritage paternel

On peut aussi trouver des ADNmt paternel chez les oiseaux, comme chez la poule de race Plymouth (Mitogenomic analysis of a 50-generation chicken pedigree reveals a rapid rate of mitochondrial evolution and evidence for paternal mtDNA inheritance 2015).

Chez les mammifères, les cas sont exceptionnels comme chez la souris, les clones de moutons ou de bovins.

Évolution du génome mitochondrial

Lors de cette endosymbiose, du grec endon " dans ", syn " ensemble " et biosis " vivant ", la coopération mutuellement bénéfique entre deux organismes vivants, i.e. une forme de symbiose, où l'un est contenu par l'autre, le génome de l'endosymbiote s'est transformé.

1. L'ADN mitochondrial (ADNmt) est un ADN circulaire à double brin, proche d’un génome procaryote comme la théorie le prévoit, et surtout différent de l'ADN nucléaire.

2. Ce génome, au cours de cette endosymbiose, s'est réduit drastiquement, car l'endosymbiote a transféré la plus grande partie de ces gènes à l'hôte (loupetransfert des gènes et hypothèse CoRR).

Cet ADN comprend des séquences codantes, quelques introns, d'origine bactérienne (loupeorigine du noyau), et aucune séquence répétée. L'ADNmt est composé :

  • d'un brin lourd (brin H pour Heavy) riche en guanine codant pour 28 gènes,
  • d'un brin léger (ou brin L pour Light), riche en cytosine codant pour 9 gènes.
Carte de l'ADN mitochondrial humain
Carte de l'ADN mitochondrial humain (l'humanine et GAU ont été rajoutés)
(Figure : vetopsy.fr d'après Emmanuel Douzery)

3. L'ADNmt code pour des sous-unités de synthèse de l'ATP ou des protéines de transport d'électrons qui entrent dans la phosphorylation oxydative, assistées par d'autres sous-unités codées par le génome nucléaire (loupemaladies mitochondriales) Elles possèdent également des ARN ribosomaux (ARNt et ARNr) nécessaires à leur traduction.

Les 37 gènes, à la suite les uns des autres, séparés que par de courtes régions non codantes, sont transcrits en 2 ARN clivés en ARNt. Ils codent pour (Dialogues between cell nuclei and mitochondria 2016) :

37 gènes humains de la séquence de référence de Cambridge
Protéines ARN de transfert (ARNt)
MT-ATP8 ATP synthase
Fo sous-unité 8 (complexe V)
MT-TA ARNt-Alanine
(Ala or A)
MT-TF ARNt-Phenylalanine
(Phe or F)
MT-ATP6 ATP synthase
Fo sous-unité 6 (complexe V)
MT-TR ARNt-Arginine
(Arg or R)
MT-TP ARNt-Proline
(Pro or P)
MT-CO1 Cytochrome c oxidase
sous-unité 1 (complexe IV)
MT-TN ARNt-Asparagine
(Asn or N)
MT-TS1 ARNt-Serine
(Ser-UCN or S)
MT-CO2 Cytochrome c oxidase
sous-unité 2 (complexe IV)
MT-TD ARNt-Aspartic acid
Asp or D)
MT-TS2 ARNt-Serine
(Ser-AGY or S)
MT-CO3 Cytochrome c oxidase
sous-unité 3 (complexe IV)
MT-TC ARNt-Cysteine
(Cys or C)
MT-TT

ARNt-Threonine
(Thr or T)

MT-CYB Cytochrome b
(complexe III)
MT-TE ARNt-Glutamic acid
(Glu or E)
MT-TW ARNt-Tryptophan
(Trp or W)
MT-ND1 NADH déshydrogénase
sous-unité 1 (complexe I)
MT-TQ ARNt-Glutamine
(Gln or Q)
MT-TY ARNt-Tyrosine
(Tyr or Y)
MT-ND2 NADH déshydrogénase
sous-unité 2 (complexe I)
MT-TG ARNt-Glycine
(Gly or G)
MT-TV ARNt-Valine
(Val or V)
MT-ND3 NADH déshydrogénase
sous-unité 3 (complexe I)
MT-TH ARNt-Histidine
(His or H)
   
MT-ND4L NADH déshydrogénase
sous-unité 4L (complexe I)
MT-TI ARNt-Isoleucine
(Ile or I)
   
MT-ND4 NADH déshydrogénase
sous-unité 4 (complexe I)
MT-TL1 ARNt-Leucine
(Leu-UUR or L)
   
MT-ND5 NADH déshydrogénase
sous-unité 5 (complexe I)
MT-TL2 ARNt-Leucine
(Leu-CUN or L)
ARN ribosomique (ARNr)
MT-ND6 NADH déshydrogénase
sous-unité 6 (complexe I)
MT-TK ARNt-Lysine
(Lys or K)
MT-RNR1 Petite sous-unité :
SSU (12S)
MT-RNR2 Humanine MT-TM ARNt-Methionine
(Met or M)
MT-RNR2 Grande sous-unité :
LSU (16S)
Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014