Biologie cellulaire
Mitochondries : génome
Traduction mitochondriale et assemblage des complexes respiratoires

Bien que reposant sur des principes similaires à ceux de l'expression génique nucléaire, ces mécanismes présentent de nombreuses particularités concernant (Human Mitochondrial RNA Processing and Modifications: Overview 2021).

• la réplication du génome mitochondrial.
• la transcription,
• la maturation des ARN mitochondriaux.

Cette page est consacrée aux étapes terminales de l'expression génique mitochondriale, comprenant :

• les mitoribosomes et la traduction mitochondriale,
• l'assemblage des complexes respiratoires et la coopération entre le génome mitochondrial et le génome nucléaire.

Ribosomes mitochondriaux (mitoribosomes)

Les ribosomes mitochondriaux, ou mitoribosomes, assurent la traduction des ARNm mitochondriaux.

Les ribosomes mitochondriaux dérivent des ribosomes bactériens, mais ont acquis au cours de l'évolution plusieurs caractéristiques structurales et fonctionnelles qui les distinguent des ribosomes cytosoliques (Mitochondrial Nucleoid: Shield and Switch of the Mitochondrial Genome 2017).

1. Les mitoribosomes humains sont des ribosomes 55S constitués (Mitochondrial ribosome biogenesis and redox sensing 2024) :

• d'une petite sous-unité 28S (SSU), qui contient l'ARNrmt 12S,
• d'une grande sous-unité 39S (LSU) associé à l'ARNtmt 16S,
• de plus de 80 protéines mitoribosomiques (MRP) codées par le génome nucléaire, puis importées dans la mitochondrie.

2. Au cours de l'évolution, la réduction progressive des ARNr mitochondriaux a été compensée par l'acquisition progressive de nombreuses protéines supplémentaires absentes des ribosomes bactériens et des ribosomes cytosoliques (An Update on Mitochondrial Ribosome Biology: The Plant Mitoribosome in the Spotlight 2019).

• Par exemple, le ribosome 70S de la bactérie Escherichia coli contient 33 protéines dans la grande sous-unité (LSU) et 21 dans la petite sous-unité (SSU), alors que le mitoribosome humain 55S en possède respectivement environ 50 et 30.
• Cette augmentation du nombre de protéines compense en grande partie la réduction des ARNr mitochondriaux.

a. Les protéines ribosomiques constituent désormais les principaux composants structuraux des mitoribosomes et comprennent :

• les protéines MRPS (Mitochondrial Ribosomal Protein of the Small subunit) pour la petite sous-unité 28S,
• les protéines MRPL (Mitochondrial Ribosomal Protein of the Large subunit) pour la grande sous-unité 39S.

b. Ces protéines assurent plusieurs fonctions structurales et fonctionnelles.

• Certaines participent à la stabilisation de la structure ribosomique en compensant la perte de segments d'ARNr, comme MRPL48 ou MRPL52.
• D'autres contribuent à l'interaction du mitoribosome avec la membrane interne mitochondriale, comme MRPL45, facilitant ainsi l'insertion co-traductionnelle des protéines membranaires de la chaîne respiratoire.

Remarque : contrairement aux protéines ribosomiques cytosoliques, désignées par les préfixes RPS et RPL, de nombreuses protéines MRPS et MRPL ne possèdent pas d'équivalent direct chez les bactéries et constituent des innovations évolutives propres aux mitoribosomes.

4. L'assemblage des mitoribosomes nécessite la maturation préalable des ARNr 12S et 16S ainsi que l'import coordonné des protéines MRPS et MRPL codées par l'ADNmt (Mitochondrial ribosome biogenesis and redox sensing 2024).

a. La biogenèse des mitoribosomes repose sur les étapes suivantes (Human Mitoribosome Biogenesis and Its Emerging Links to Disease 2021).

• Les ARNr mitochondriaux 12S et 16S sont transcrits à partir de l'ADN mitochondrial (ADNmt) au sein des nucléoïdes, puis pris en charge dans les granules d'ARN mitochondriaux, où se déroulent une grande partie de leur maturation et les premières étapes de l'assemblage des mitoribosomes.
• Les protéines mitoribosomiques (MRP), codées par le génome nucléaire, sont synthétisées par les ribosomes cytosoliques 80S puis importées dans la matrice mitochondriale par les complexes TOM et TIM.
• Les ARNr et les protéines ribosomiques s'assemblent ensuite pour former les petites (28S) et grandes (39S) sous-unités du mitoribosome.
• Le mitoribosome mature 55S s'associe à la membrane interne mitochondriale, où il interagit notamment avec la translocase OXA1L.

Cette interaction permet l'insertion co-traductionnelle dans la membrane des protéines hydrophobes codées par l'ADN mitochondrial, principalement des sous-unités des complexes de la chaîne respiratoire.

b. La biogenèse des mitoribosomes nécessite donc une étroite coordination entre le génome mitochondrial, qui fournit les ARNr et le génome nucléaire, qui code l'ensemble des protéines mitoribosomiques.

Toute altération de ces processus peut perturber la traduction mitochondriale et compromettre la synthèse des sous-unités mitochondriales de la chaîne respiratoire (maladies mitochondriales).

Biogenèse des complexes respiratoires

Coopération entre le génome mitochondrial et le génome nucléaire

Les protéines codées par l'ADNmt ne sont pas fonctionnelles isolément et doivent s'associer à de nombreuses sous-unités codées par le génome nucléaire pour former les complexes respiratoires matures.

1. Les 13 protéines synthétisées par les mitoribosomes appartiennent exclusivement aux complexes I, III, IV et à l'ATP synthase, intervenant dans la phosphorylation oxydative.

• sept dans le complexe I (NADH déshydrogénase),
• une dans le complexe III (cytochrome c réductase ou complexe bc1),
• trois dans le complexe IV (cytochrome c oxydase ou CcO),
• deux sous-unités du domaine membranaire F_O de l'ATP-synthase (ATP6 et ATP8).

2. Les autres sous-unités de ces complexes sont codées par le génome nucléaire, synthétisées par les ribosomes cytosoliques, puis importées dans la mitochondrie.

Insertion co-traductionnelle des protéines mitochondriales par OXA1L

Les 13 protéines codées par l'ADN mitochondrial sont toutes des protéines membranaires très hydrophobes.

Elles ne peuvent donc pas être libérées dans la matrice mitochondriale après leur synthèse, car elles s'y agrègeraient rapidement avant de rejoindre la membrane interne.

1. Les mitoribosomes sont ainsi ancrés à la membrane interne mitochondriale par l'intermédiaire de la translocase OXA1L (Oxidase Assembly Protein 1-Like), homologue mitochondriale de l'insertase bactérienne YidC (Crystal structure of Escherichia coli YidC, a membrane protein chaperone and insertase 2014 et YidC/Alb3/Oxa1 Family of Insertases 2015).

• OXA1L est une protéine intégrale de la membrane interne constituée de cinq hélices transmembranaires (Coordinating mitochondrial translation with assembly of the OXPHOS complexes 2024).
• Son domaine C-terminal, exposé dans la matrice mitochondriale, recrute le mitoribosome et le positionne au voisinage de la membrane interne.

Cette interaction aligne le tunnel de sortie de la grande sous-unité avec OXA1L, permettant la prise en charge immédiate de la chaîne polypeptidique naissante.

2. Au cours de la traduction, l'extrémité N-terminale de la protéine quitte progressivement le tunnel de sortie du mitoribosome (Early steps in the biogenesis of mitochondrially encoded oxidative phosphorylation subunits 2023).

Elle est guidée vers OXA1L par les protéines ribosomiques situées à l'extrémité du tunnel de sortie, notamment mL45, puis immédiatement transférée à l'insertase.

• OXA1L agit comme une insertase en assurant l'insertion co-traductionnelle progressive des segments hydrophobes dans la bicouche lipidique de la membrane interne.
• Cette insertion s'effectue au fur et à mesure de l'élongation de la chaîne polypeptidique, limitant son exposition à la matrice mitochondriale, favorisant son repliement correct et empêchant son agrégation.

3. Après leur insertion dans la membrane interne, les protéines codées par l'ADN mitochondrial diffusent latéralement et s'associent progressivement aux nombreuses sous-unités codées par le génome nucléaire, importées depuis le cytosol.

Des facteurs d'assemblage spécifiques, des protéines chaperonnes et des mécanismes de contrôle qualité coordonnent ensuite la formation progressive des complexes respiratoires fonctionnels.

Assemblage des complexes respiratoires

L'assemblage des complexes respiratoires est un processus progressif, hautement coordonné et particulièrement complexe, dont la description détaillée dépasse le cadre de cette page.

1. Les sous-unités codées par les génomes mitochondrial et nucléaire sont synthétisées dans des compartiments distincts, puis réunies selon une succession d'étapes faisant intervenir des facteurs d'assemblage, des protéines chaperonnes et des mécanismes de contrôle qualité.

Ces facteurs stabilisent les intermédiaires d'assemblage, favorisent l'incorporation des différentes sous-unités et éliminent les complexes incomplets ou défectueux avant leur intégration dans la membrane interne mitochondriale.

2. Cette coordination garantit la formation de complexes respiratoires fonctionnels et le maintien d'une phosphorylation oxydative efficace (Assembling the mitochondrial ATP synthase 2018).

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