Soutenance mémoire
Mitochondries : hétérogénéité de distribution, de déplacement, et de morphologie pour une spécialisation fonctionnelle
Variation intercellulaire
Dans de nombreux types cellulaires, la majeure partie des mitochondries s’accumule dans les zones périnucléaires, tandis que la distribution des mitochondries périphériques est plus clairsemée (Collins et al., 2002; Tanaka et al., 1998; Trinczek et al., 1999). Mais le nombre, l’organisation, la morphologie, et la répartition subcellulaire du réseau mitochondrial, sont variables d’un type cellulaire à l’autre (Aw and Jones, 1989; Bereiter-Hahn, 1990). Le nombre de mitochondries dans un type cellulaire particulier corrèle avec la demande énergétique : les hépatocytes comportent des milliers de mitochondries, alors que les érythrocytes les ont toutes perdues. Dans les spermatozoïdes, les mitochondries forment une spirale dans la queue (Bereiter-Hahn, 1990) ; dans le muscle, les mitochondries insérées sous le sarcoleme sont ovales ; tandis que dans les fibroblastes et les cellules Hela en culture, les mitochondries forment un réseau tubulaire (Barni et al., 1996; Rizzuto et al., 1998). Des études de microscopie électronique confirment ces différences morphologiques entre les mitochondries de différents types cellulaires (Ghadially, 1997).
Le réseau mitochondrial peut être observé sur des cellules vivantes grâce à un marqueur fluorescent des mitochondries. Différentes lignées cellulaires peuvent ainsi être comparées . Dans des cellules Hela, le réseau mitochondrial présente un aspect tubulaire et continu, en revanche dans les cellules HS683 les mitochondries sont distinctes les unes des autres, et présentent une forme plus vésiculaire. A cette différence morphologique s’ajoutent des différences de distribution subcellulaire. Tout d’abord dans la distribution proximo-distale par rapport au noyau : dans les cellules Hela, le réseau mitochondrial s’étend jusqu’à la périphérie de la cellule sous la membrane plasmique ; au contraire dans les cellules U373, les mitochondries sont agrégées à proximité du noyau. Ensuite une autre différence de répartition apparaît dans la symétrie par rapport au noyau. Dans les cellules Hela, une symétrie radiaire répartit de façon homogène les mitochondries tout autour du noyau ; tandis que dans les cellules U373, cette répartition autour du noyau est complètement asymétrique, les mitochondries s’accumulent à un pôle du noyau. Cette imagerie sur des cellules vivantes souligne à quel point la morphologie et la répartition mitochondriales varient d’un type cellulaire à l’autre.
La comparaison du protéome de mitochondries de cerveau, de cœur, de rein, et de foie, montre que seules 50 % des protéines sont exprimées dans ces quatre tissus. Le protéome de la mitochondrie dépend donc très fortement du tissu dans lequel est présente la mitochondrie (Mootha et al., 2003). La capacité mitochondriale, le nombre de copies de l’ADN mitochondrial, les stœchiométries enzymatiques, les profils d’utilisation du carbone, et les voies de biosynthèse peuvent être spécialisés (Veltri et al., 1990; Vijayasarathy et al., 1998).
Ces résultats suggèrent que la spécificité tissulaire de la distribution subcellulaire et de la morphologie des mitochondries s’accompagne d’une spécialisation fonctionnelle. Si l’organisation du réseau mitochondrial varie d’un type cellulaire à l’autre, c’est que dans chaque type cellulaire les mitochondries s’accumulent à des sites précis.
Variation intracellulaire
Hétérogénéité dans la localisation
Il existe différentes populations de mitochondries dans une même cellule, un premier critère de classification peut être leur lieu d’ancrage préférentiel. Dans les cellules β-pancréatiques, les mitochondries peuvent être classifiées en trois populations distinctes : les mitochondries qui ceinturent les granules de sécrétion, les mitochondries ancrées sous la membrane plasmique, et les mitochondries qui s’accumulent tout autour du noyau (Park et al., 2001; Straub et al., 2000; Tinel et al., 1999) (figure 17). Dans les cellules musculaires, une population de mitochondries s’intercale entre le sarcoleme et le réticulum sarcoplasmique (RS). Mais, c’est dans les neurones que la localisation spécifique de différentes populations mitochondriales a été la mieux étudiée. Dans le système nerveux, la distribution des mitochondries corrèle avec l’activité métabolique locale (Kageyama and Wong-Riley, 1982). Les mitochondries sont adressées et s’accumulent aux sites qui requièrent un métabolisme intense : aux synapses (Bogan and Cabot, 1991; Gotow et al., 1991; Palay, 1956; Treeck and Pirsig, 1979), aux cônes de croissances actifs (Morris and Hollenbeck, 1993; Povlishock, 1976; Ruthel and Hollenbeck, 2003), aux nœuds de Ranvier, aux frontières de myélinisation/démyélinisation, (Bristow et al., 2002; Fabricius et al., 1993; Mutsaers and Carroll, 1998), aux zones de synthèse axonales. Dans une culture cellulaire de neurones de l’hippocampe, le nombre de mitochondries dendritiques corrèle avec le nombre et la plasticité des spines dendritiques et des synapses (Li et al., 2004). Les zones à activité élevée qui nécessitent une production intense d’ATP, ont une densité ou une activité mitochondriale supérieure (figure 17), comme le montre également la comparaison des synapses toniques et phasiques (Brodin et al., 1999; King et al., 1996; Nguyen et al., 1997), des cônes de croissance actifs et inactifs (Carroll and Wong-Riley, 1984; Chada and Hollenbeck, 2003; Kageyama and Wong-Riley, 1985; Morris and Hollenbeck, 1993; Nie and Wong-Riley, 1996a; Nie and Wong-Riley, 1996b; Wong-Riley and Carroll, 1984; Wong-Riley and Welt, 1980).
Une distribution régulée de manière dynamique
Si la structuration du réseau mitochondrial varie d’un type cellulaire à un autre, ces réseaux ne sont pas statiques et peuvent évoluer très vite dans une même cellule : au cours du cycle cellulaire, au cours de la différenciation, ou lors de changements dans l’environnement cellulaire. Dans certaines lignées cellulaires une variation du réseau mitochondrial a été décrite en fonction du cycle cellulaire. Dans une lignée cellulaire humaine d’ostéosarcome (143B), les cellules en G1 présentent un réseau mitochondrial tubulaire, tandis que les cellules en phase S présentent des mitochondries plus fragmentées à la forme vésiculaire (Margineantu et al., 2002). Lors de la division cellulaire, la localisation cellulaire des mitochondries et leur transport assurent une répartition adéquate entre cellules filles (Pereira et al., 1997; Yaffe et al., 2003). Au cours de la fécondation des ovocytes, les mitochondries précédemment réparties dans tout le cytoplasme s’accumulent autour du noyau (Barnett et al., 1996; Bavister and Squirrell, 2000; Squirrell et al., 2001; Squirrell et al., 2003). Au contraire au cours de la différenciation des cellules souches, les mitochondries quittent leurs localisations périnucléaires pour devenir plus périphériques (Lonergan et al., 2006).
Chez la levure, comparées à leur culture sur du glucose, lorsque les cellules sont cultivées sur une source de carbone non fermentable, le nombre de branchements dans le réseau tubulaire des mitochondries peut être multiplié par 5 (Egner et al., 2002).
Hétérogénéité dans le déplacement
Ce profil de distribution des mitochondries qui n’est ni homogène, ni aléatoire, n’est pas non plus figé (figure 16). Une mitochondrie n’est jamais ancrée définitivement à un site précis. Si la distribution des mitochondries corrèle avec l’activité métabolique, alors, si l’activité métabolique change, la distribution mitochondriale doit également changer. Cet aspect dynamique résulte d’un équilibre pour chaque mitochondrie entre le déplacement dans la cellule et l’ancrage à des sites précis (Chada and Hollenbeck, 2003), deux paramètres variables. Dans l’axone d’un neurone par exemple, la vitesse et la durée de déplacement, l’orientation du mouvement, le temps de résidence à certains sites précis, varient d’une mitochondrie à l’autre (Chang et al., 2006), et permettent de classifier les mitochondries en différentes populations. Mais concernant les caractéristiques de déplacement, les différences les plus marquées s’observent lors de la comparaison des mitochondries qui n’ont pas les mêmes répartitions subcellulaires. La plupart des mitochondries localisées à la périphérie restent immobiles ou migrent doucement, seule une petite fraction se déplace à une vitesse relativement élevée (De Vos et al., 2003; Trinczek et al., 1999). Dans les neurones, la vitesse de déplacement dans les axones ou les dendrites n’est pas identique (Overly et al., 1996). Toujours dans les cellules nerveuses, si le déplacement de mitochondries le long de l’axone est relativement rapide, 0.3-2 µm.s-1 (Hollenbeck, 1996; Ligon and Steward, 2000a), le déplacement est ni continu, ni régulier. En raison de l’alternance de périodes d’immobilité et de périodes de mouvements rapides, la vitesse moyenne de déplacement des mitochondries se situe entre les petites vésicules à mouvement rapide et les protéines du cytosquelette à mouvement lent (Grafstein and Forman, 1980).
Hétérogénéité fonctionnelle
Dans une même cellule, une hétérogénéité entre les mitochondries peut être observée d’un point de vue fonctionnel : le potentiel membranaire, les entrées de calcium dans les mitochondries (figure 24), la cinétique d’ouverture PTP varient d’une mitochondrie à l’autre (Collins et al., 2002). Chez les neurones, le potentiel delta psi n’est pas identique dans toutes les mitochondries, il existe une corrélation entre le potentiel membranaire delta psi des mitochondries et leur localisation (Collins et al., 2002; Overly et al., 1996), leur activité synaptique (Bindokas et al., 1998), ou leur déplacement le long de l’axone (Miller and Sheetz, 2004; Rintoul et al., 2006). 90% des mitochondries avec un potentiel membranaire élevé migrent vers le cône de croissance, 80 % des mitochondries avec un potentiel faible migrent vers le corps cellulaire. Suite à une stimulation, les entrées de calcium à la mitochondrie ne sont pas homogènes et dépendent du positionnement de chaque mitochondrie, ainsi que de la voie de signalisation activée (Collins et al., 2002; Filippin et al., 2003; Park et al., 2001). Cela a notamment été montré dans les cellules de chromaffin, les cellules pancréatiques des acini (Montero et al., 2000; Park et al., 2001; Straub et al., 2000; Tinel et al., 1999), les hépatocytes (Hajnoczky et al., 1995), ou les cardio-myocytes (Robert et al., 2001). Les augmentations calciques mitochondriales sont d’autant plus fortes que les mitochondries sont à proximité du lieu de libération du calcium, le RE dans les cellules Hela lors d’une stimulation IP3 (Filippin et al., 2003) (figure 24), la membrane plasmique lors de la stimulation des cellules neurales (Baron et al., 2003; Pivovarova et al., 1999).
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Table des matières
INTRODUCTION
LA S100B
La famille des S100
La calci-protéine S100B
LE RESEAU MITOCHONDRIAL
Mitochondries : hétérogénéité de distribution, de déplacement, et de morphologie pour une spécialisation
fonctionnelle
Mitochondries et cytosquelette
Morphologie mitochondriale
Calcium et contrôle de la mobilité et du positionnement mitochondrial
Interactions entre le RE et les mitochondries
Ancrages des mitochondries à des sites spécifiques : d’autres exemples que le RE
Adressage des protéines à la mitochondrie
LA FAMILLE AAA
Définition
Structure
Phylogénie
TUMEURS GLIALES
Classification des tumeurs gliales
Perte d’hétérozygotie au locus 1p et développement des oligodendrogliomes
Hétérogénéité cellulaire des astrocytomes
Oligodendrogliomes : cellules originelles et expression du marqueur S100B
RESULTATS
IDENTIFICATION ET CARACTERISATION COMME CIBLE DE LA S100B D’UNE
PROTEINE IMPLIQUEE DANS LA DISTRIBUTION SUBCELLULAIRE DES
MITOCHONDRIES
Identification d’une cible mitochondriale de la S100B : une nouvelle protéine, MSBP
MSBP : nomenclature
MSBP : phylogenie
Validation des outils
S100B/MSBP : une interaction spécifique et régulée par le calcium
La S100B inhibe l’oligomérisation de MSBP
MSBP est une protéine mitochondriale transmembranaire intégrale, localisée aux sites de contacts entre les membranes internes et externes, l’extrémité N-terminale exposée côté cytosol, le domaine ATPase protégé dans la mitochondrie
L’invalidation partielle de l’expression de la protéine MSBP par une approche siRNA induit un retard dans la différenciation des CPO
L’invalidation de l’expression de la protéine MSBP inhibe l’accumulation périnucléaire des mitochondries
L’inhibition de l’activité ATPase de MSBP, empêche la libération des mitochondries de leur site d’ancrage périnucléaire
L’invalidation de l’expression de MSBP s’accompagne d’une diminution des interactions physiques et du
transfert de la PS entre le RE et les mitochondries
EXPRESSION DES PROTEINES MSBP DANS LES GLIOMES
MSBP2 : un marqueur qui permet de distinguer les oligodendrogliomes des glioblastomes
Délétion homozygote du gène codant pour MSBP2 dans la lignée oligodendrogliale HS683
Invalidation de l’expression des protéines MSBP et transformation cellulaire
Surexpression des protéines MSBP et transformation cellulaire
DISCUSSION
Localisation mitochondriale de MSBP
MSBP et l’ancrage périnucléaire des mitochondries
Interactions RE-mitochondries et transfert de la PS
Spécificité de l’interaction directe entre la S100B et MSBP
S100B : un senseur à calcium à l’interface MAM mitochondries
S100B, MSBP et retard de la différenciation des CPO
MSBP marqueur de classification pour distinguer les oligodendrogliomes des glioblastomes?
Distinction entre MSBP2 et MSBP1
LOH et délétion homozygote du gène codant pour MSBP2
Invalidation des gènes MSBP et transformation cellulaire
Importance du type cellulaire dans la transformation tumorale
CONCLUSION GENERALE
