Génome mitochondrial - Définition

Variation du code génétique

Les mitochondries utilisent un code génétique différent du code génétique universel, utilisé par la très grande majorité des organismes vivants. En fait il existe 17 codes génétiques différents, dont 11 pour les mitochondries de différents organismes. Il faut noter que les associations entre espèces et code génétique mitochondrial sont en constante évolution au gré des séquençage de nouveaux génomes mitochondriaux. Par exemple le code n°5 appelé "code mitochondrial des invertébrés" est confirmé pour des espèces comme Caenorhabditis elegans ou la drosophile (avec l'exception de l'absence de codon AGG), mais par exemple, ce n'est pas le cas pour les oursins qui ont leur propre code (n°9).

Structure et composition

Les génomes mitochondriaux ont subi de très nombreuses modifications. Ceci est flagrant au niveau de leurs tailles puisque le génome d’une bactérie du genre Rickettsia fait environ 1 mégabase et comporte près de 1000 gènes, alors que le génome mitochondrial humain ne fait que 16kb, et celui d’Arabidopsis thaliana 367kb. Les génomes mitochondriaux sont particulièrement hétérogènes, certains comme ceux des chaetognathes (vers sagittés, métazoaires constituant une grande part du plancton) ne conservant qu'une dizaine de gènes sans aucun ARNt sur à peine 11kb, d'autres comme celui du maïs dépassant les 700kb et portant plus de 100 gènes. D'importantes modifications ont également eu lieu au niveau de sa composition fine ou de son fonctionnement. Ainsi la majorité des génomes mitochondriaux connus sont transcrits par une ARN polymérase de type virale et non bactérienne. Seule exception connue à ce jours le génome mitochondrial de Reclinomonas americana qui contient les séquences de sous-unités d'une ARN polymérase de type bactérien.

Le génome mitochondrial est extrêmement dynamique, il est majoritairement hétéroplasmique chez les plantes et les animaux, c'est-à-dire qu'il coexiste différentes formes au sein de la même mitochondrie. Il peut être trouvé sous forme circulaire ou linéaire, double ou simple brin. Ces différentes formes sont, entre autres, les produits de la réplication du génome mitochondrial par un mécanisme de cercle roulant, mais aussi d'un mécanisme de réplication recombinaison-dépendant, similaire à la réplication du phage T4. Les génomes mitochondriaux sont habituellement représentés sous forme circulaire, le "cercle maître" qui correspond à la molécule décrivant le mieux le génome.

Chez Arabidopsis thaliana, cette molécule fait 367kb, elle est riche en petites séquences répétées, 22 paires de répétitions identiques de plus de 100pb, dont deux majeures de 6,5 et 4,2kb (écotype C24). Seules ces deux régions sont impliquées dans des événements fréquents de recombinaison, créant 3 formes circulaires de 134, 233 et 367kb. Le ratio entre les différentes formes de génome peut varier, mais généralement une forme est majoritaire, les petites molécules d'ADN qui peuvent être produites lors de ces événements sont appelés sublimons. Les événements de recombinaison peuvent également être initiés en dehors des grandes séquences répétées, ces changements peuvent être impliqués dans des phénomènes de stérilité mâle cytoplasmique, ou chez les mammifères dans des maladies génétiques.

Composition en gènes

On distingue trois grands types dans la composition génique des génomes mitochondriaux. Chez les levures et les plantes, la taille et l'organisation du génome mitochondrial sont très variables. Chez les mammifères, le génome mitochondrial est très compact. Enfin, il est compact, de taille variable et possède une zone riche en adénine et thymine chez les arthropodes.

Le génome mitochondrial humain

Organisation de l'ADN mitochondrial des mammifères

Chez l'homme, le génome mitochondrial humain est circulaire. Il comporte 37 gènes, lesquels codent 13 protéines, 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomaux. Les gènes sont disposés les uns à la suite des autres, et ne sont séparés que par de courtes régions non codantes. Les gènes codant des protéines sont séparés les uns des autres par des gènes codant des ARN de transfert. Une région de régulation de 600pb comporte les origines de transcription et une origine de réplication.

Le génome mitochondrial de la Drosophile

Chez la drosophile, le génome mitochondrial composite mesure 19,5kb. Il comporte 37 gènes, codant 13 protéines, 22 ARN de transfert et 2 ARN ribosomaux. Les mitochondries possèdent les mêmes gènes chez la drosophile et chez les mammifères, mais la disposition des gènes dans le génome mitochondrial est différente chez les deux espèces. Les séquences codantes représentent 57% du génome.

Le génome mitochondrial de levure

Le levure de boulanger possède un génome mitochondrial long de 86kb comportant 43 gènes, codant 19 protéines, 25 ARN de transfert et 2 ARN ribosomaux. Les séquences codantes représentent 23% du génome.

Le génome mitochondrial d'Arabidopsis thaliana

Chez Arabidopsis thaliana, le génome mitochondrial fait 367kb, il comporte en tout 60 gènes, dont 33 codant des protéines, 3 codant des ARN ribosomaux et 21 codant des ARN de transfert. Ces gènes ne couvrent que 10% du génome, 10% supplémentaires sont représentés par 74 ORFs de plus de 300 paires de bases sans homologie particulière avec des gènes connus, et pour lesquels aucune protéine produite n'a été observée jusqu'à présent. Les gènes sont souvent organisés en petites unités de transcription, ce qui confère un aspect très particulier au génome mitochondrial. Celui-ci présente une faible densité de gènes, environ un gène pour 8kb, et le regroupement de ces gènes, sur de petites séquences, crée des zones du génome pouvant aller jusqu'à 27kb ne comportant que des ORFs putatives ou quelques ARNt. Trois zones répétées couvrent 7% du génome, 8% se retrouvent dans les introns, 5% représentent des traces de transposons ou sont d'origine chloroplastique, laissant donc 60% du génome sans origine ou fonction évidente. La collection d'ARN de transfert n'est pas complète, elle ne couvre que 14 acides aminés et 22 codons, les ARNt correspondant aux six acides aminés restants doivent donc être importés du noyau (alanine, arginine, histidine, leucine, phénylalanine, thréonine et valine). Il est à noter que sur les 22 ARNt compris dans le génome mitochondrial, 4 sont d'origine chloroplastique. Sur les 33 gènes codant des protéines, 6 codent des protéines ribosomales, un gène code une maturase, une protéine n'a pas encore de fonction connue (mttB), et tous les autres gènes codent des sous-unités de la chaîne de transfert d'électrons ou des protéines impliquées dans la synthèse du cytochrome C. Il n'y a donc aucun gène relatif à la transcription, ni ARN polymérase ni facteur de transcription, toutes les protéines impliquées dans ces processus doivent donc être importées du noyau.