Soutenance mémoire
Les mitochondries sont des organites à double membrane retrouvées dans le cytoplasme de la quasi-totalité des cellules eucaryotes. Bien qu’elles soient impliquées dans divers mécanismes cellulaires, tel le maintien de l’homéostasie ionique et la mort cellulaire programmée ou apoptose, leur fonction principale est de convertir l’énergie libérée par la dégradation des nutriments en adénosine triphosphate (ATP), forme d’énergie utilisée dans la plupart des réactions cellulaires. C’est pourquoi les mitochondries sont généralement décrites comme les centrales énergétiques des cellules. Un processus clé par lequel les mitochondries répondent aux besoins énergétiques cellulaires se nomme la phosphorylation oxydative ou oxydation phosphorylante (OXPHOS). Cette dernière est accomplie par la chaîne respiratoire et le complexe de l’A TP synthase (Saraste, 1999).
Le système de la phosphorylation oxydative est composé de cmq complexes enzymatiques localisés dans la membrane mitochondriale interne: le complexe de la NADH: ubiquinone oxydoréductase (complexe 1), le complexe de la succinate : ubiquinone oxydoréductase (complexe II), le complexe de l’ubiquinone : cytochrome C oxydoréductase (complexe III), le complexe de la cytochrome c oxydase (complexe IV) et le complexe de l’ ATP synthase (complexe V). Les complexes 1 à IV constituent la chaîne respiratoire mitochondriale et le complexe V ou A TP synthase constitue un tunnel à protons qui s’étend sur l’épaisseur de la membrane interne couplé à un élément catalytique synthétiseur d’ATP. Chaque complexe est formé de plusieurs sous-unités protéiques, le plus gros étant le complexe 1 avec plus de 40 peptides (Saraste, 1999) .
L’ADN mitochondrial chez les métazoaires
Avec le noyau, les mitochondries sont les seules organites des cellules animales qui possèdent leur propre matériel génétique: le génome mitochondrial (ADN mitochondrial ou ADNmt). Chez les métazoaires, chaque cellule contient plusieurs mitochondries qui elles-mêmes contiennent plusieurs copies d’ADNmt. À l’exception de quelques espèces de cnidaires qui détiennent des ADNmt linéaires, tous les métazoaires possèdent des molécules d’ADNmt circulaires bicaténaires (deux brins d’ADN) d’environ 15 000 à 20 000 paires de bases (Pb) (Boore, 1999). Chaque molécule d’ADNmt est généralement composée de 37 gènes dépourvus d’intron et d’une région non-cod ante d’environ 1 kb qui contient les principales séquences de régulation de la réplication et de la transcription de la molécule d’ADNmt (fig. 0.2). Les 37 gènes mitochondriaux codent pour 22 ARN de transfert (ARNt) et 2 ARN ribosomaux (ARNr 16S et 12S) qui sont nécessaires à l’expression de 13 autres gènes mitochondriaux codant pour des sous-unités protéiques des complexes enzymatiques du système de la phosphorylation oxydative. Chez les mammifères par exemple, l’ADN mitochondrial est responsable de la production de 7 des 45 sous-unités protéiques du complexe de la NADH : ubiquinone oxydoréductase (complexe 1 : NDI à ND6 et ND4L), une des Il sous-unités protéiques du complexe de l’ubiquinone : cytochrome C oxydoréductase (complexe III : CITB), 3 des 13 sous unités protéiques du complexe de la cytochrome c oxydase (complexe IV : COX! à COXIIl) et 2 des 16 sous-unités protéiques du complexe de l’ATP synthase (complexe V: ATP6 et A TP8) (Boore, 1999; May-Panloup et al., 2006). L’ensemble des autres sous-unités de la chaîne respiratoire et de l’ATP synthase [c’est-à-dire les 38 autres sous-unités du complexe l, toutes les sous-unités (4) du complexe II, et les 34 sous-unités restantes des complexes III, IV et V] sont codées par le génome nucléaire (ADN nucléaire ou ADNnu). Celui-ci est également responsable de la production de la totalité des enzymes de la matrice mitochondriale (par exemple, les enzymes du cycle de Krebs) et de tous les facteurs impliqués dans les autres fonctions mitochondriales (par exemple, les transporteurs de métabolites et les facteurs responsables de la réplication de l’ADNmt et son expression).
L’activité des mitochondries dépend donc de l’expression coordonnée de deux systèmes génétiques physiquement séparés (ADNmt et ADNnu). Par conséquent, les génomes nucléaire et mitochondrial sont contraints à co-évoluer pour maintenir une fonction mitochondriale optimale (c’est-à-dire pour un assemblage et un fonctionnement adéquats du système de la phosphorylation oxydative, pour la réplication, la transcription et la traduction de l’ADNmt et pour toutes les autres fonctions mitochondriales) (Blier et al., 2006). Une des approches les plus fructueuses pour l’étude de la communication nucléo-mitochondriale a été l’utilisation d’organismes simples tels que la levure Saccharomyces cerevisiae. La disponibilité des séquences complètes des génomes nucléaire et mitochondrial de la levure a permis le développement d’une perspective globale des phénomènes de la communication directe du noyau vers les mitochondries et de la communication rétrograde des mitochondries vers le noyau. En exploitant les propriétés remarquables que possède cet organisme pour la recombinaison homologue, c’est-à-dire le processus par lequel deux régions d’ADN portant des séquences nucléotidiques similaires se les échangent par un jeu moléculaire de «coupures-soudures», un consortium international de laboratoires a généré une importante collection de souches de levure ayant chacune un gène nucléaire différent de supprimé. C’est ainsi que 5943 «mutants délétés» ont été créés, soit une collection presque complète (~97%) de tous les gènes nucléaires codant pour des protéines (Winzeler et al. , 1999; Kumar et al., 2002). Chaque gène a été remplacé de façon à ce que si sa délétion cause un dysfonctionnement mitochondrial, la levure ne va croître que sur un milieu de culture contenant un substrat fermentable comme le glucose tandis qu’elle ne croîtra pas sur un milieu contenant un substrat non-fermentable comme le lactate. Steinmetz et al. (2002) ont employé cette approche pour identifier 466 gènes nucléaires dont les suppressions ont altéré la fonction mitochondriale chez S. cerevisiae. Selon ces auteurs, il est probable que beaucoup d’autres gènes nucléaires encore inconnus aient une fonction importante dans le maintien de l’homéostasie mitochondriale chez les levures.
Puisque les gènes assurant les fonctions de base de la cellule (par exemple, le métabolisme) ont été conservés au cours de l’évolution chez l’ensemble des eucaryotes, la levure s’est avérée utile dans l’identification des gènes nucléaires impliqués dans les fonctions mitochondriales chez les organismes supérieurs. Chez l’homme par exemple, 1040 protéines différentes ont été retrouvées dans les mitochondries dont 98% d’entre elles se sont avérées être codées par le génome nucléaire (Ryan et Hoogenraad, 2007). Jusqu’à maintenant, les protéines nucléaires retrouvées dans les mitochondries animales ont été associées à la structure des mitochondries, la fission et la fusion mitochondriale, l’importation des protéines dans les mitochondries, l’ apoptose, la réplication, la transcription, la traduction, la recombinaison et la réparation de l’ ADNmt, et l’assemblage et la fonction du système de la phosphorylation oxydative (Scheffler, 2001; Chinnery, 2003).
Un autre domaine pour lequel la levure s’est avérée fort utile est la communication rétrograde ou l’influence des fonctions mitochondriales sur l’expression des gènes nucléaires. Par exemple, il a été démontré que l’expression de plusieurs gènes nucléaires [c’est-à-dire les gènes codant pour la citrate synthase (CfT2), la lactate déshydrogénase (DLD3), une protéine ribosomale destinée aux mitochondries (MRP 13) et les sous-unités COX5A et COX6 du complexe IV du système de la phosphorylation oxydative] était significativement augmentée chez des levures dont le génome mitochondrial avait été supprimé (Traven et al., 2001). Ces résultats suggèrent que l’activité métabolique et biosynthétique cellulaire peuvent être ajustées lors d’une situation de déficit énergétique. Autrement dit, compte tenu de la fonction vitale des mitochondries pour la survie des cellules, celles-ci ont développé des mécanismes de régulation de l’expression génique permettant de maintenir une fonction mitochondriale optimale face à une variété de stress mitochondriaux potentiels et le signalement des mitochondries vers le noyau est une composante clé de ces mécanismes.
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Fonctions mitochondriales
L’ADN mitochondrial chez les métazoaires
La transmission de l’ADNmt chez les métazoaires: une règle universelle ?
La double transmission uniparentale de l’ADNmt chez les bivalves
L’évolution moléculaire des ADNmt F et M chez les Mytilidae
« Ménage à trois» chez les moules: un génome nucléaire et deux génomes
Initochondriaux
Objectif général du projet de recherche
Objectifs spécifiques du projet de recherche
CHAPITRE l
COMPARATIVE ANAL YSIS OF GENDER-ASSOCIA TED, COMPLETE
MITOCHONDRIAL GENOMES IN MARINE MUSSELS (MYTILUS SPP.)
Résumé
1.1 Abstract
1.2 Introduction
1.3 Materials and Methods
1.3.1 Collection, genotyping, and mitotyping of specimens
1.3.2 MtDNA amplification and sequencing protocols
1.3.3 Data analysis
1.4 Results and discussion
1.4.1 Sequence, Gene Content and Organization of Bivalve Mitochondrial
Genomes
1.4.2 Transfer RNA and Ribosomai RNA Genes
1.4.3 Noncoding Sequences
1.4.4 Comparative Analysis of Gender-Associated Mitochondrial Genomes in
Mytilid Mussels
1.4.5 Analysis of expanded cox1 data set
1.4.6 Evidence for Non-Homologous Recombination Between GenderAssociated mtDNA Lineages in Mytilus trossulus
1.4.7 The presence of two potential control regions and their implication in the
transmission dynamics of the mitochondrial genomes in blue musseis
1.4.8 The DUI System: A Network of Nuclear/Cytoplasmic Interactions
1.5 Acknowledgements
CHAPITRE II
ROLE-REVERSAL OF GENDER-ASSOCIATED MITOCHONDRIAL DNA
AFFECTS MITOCHONDRIAL FUNCTION IN MYTILUS EDULIS (BIV AL VIA:
MYTILIDAE)
Résunlé
2.1 Abstract
2.2 Introduction
2.3 Materials and Methods
2.3.1 Experimental animaIs
2.3 .2 Mitotyping and genotyping
2.3 .3 Enzymatic assays
2.3.4 Protein assays
2.3.5 Statistical analyses
2.4 Results and Discussion
2.5 Acknowledgements
CHAPITRE III
MOLECULAR CO-EVOLUTION OF NUCLEAR- AND MITOCHONDRIALENCODED PROTEIN SUBUNITS IN A SPEClES WITH DOUBL y UNIPARENTAL INHERITANCE OF MTDNA
Résumé
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Materials and Methods
3.3.1 Collection and genotyping of specimens
3.3.2 Sequencing of mitochondrial genes
3.3.3 Sequencing of nuclear genes
3.3.4 Data analyses
3.4 Results
3.4.1 Mitochondrial genes
3.4.2 Nuclear genes
3.4.3 Divergence between M edulis and M galloprovincialis
3.5 Discussion
3.6 Acknowledgements
CONCLUSION GÉNÉRALE
Télécharger le rapport complet
