Mitochondrie - Définition

Le protéome mitochondrial

Le protéome mitochondrial est l'ensemble des protéines présentes dans les mitochondries d'une cellule eucaryote à un moment donné. Le protéome est un ensemble dynamique défini dans le temps (moment considéré : stade de développement, matin ou soir) et dans l'espace (échantillon considéré : cellule, tissu, organisme). Pour décrire l'ensemble des protéines pouvant être présentes dans une mitochondrie à un moment quelconque de la vie de l'organisme, on utilisera le terme de protéome total.

Le protéome mitochondrial est composé de protéines produites dans les mitochondries et codées dans le génome mitochondrial, et de protéines produites dans le cytoplasme et codées dans le génome nucléaire. La plupart des complexes enzymatiques (exemple : ATP-synthase) sont formés par la juxtaposition de polypeptides synthétisés dans la mitochondrie et dans le cytosol (le fluide interne de la cellule).

Bien que le les mitochondries soient les descendantes de bactéries, les protéines de leur protéome ne sont pas toutes d'origine bactérienne, Ainsi chez la levure 50 à 60 % des protéines mitochondriales ont des homologues chez les procaryotes alors que 40 à 50 % n’en ont pas.

Les protéines mitochondriales codées par le génome mitochondrial

Suivant les organismes 1 à 10 % des protéines mitochondriales sont directement synthétisée dans la matrice par les mitoribosomes, à partir de l'ADN mitochondrial.

Les protéines mitochondriales codées par le génome nucléaire

Les protéines mitochondriales possédant un homologue procaryote résultent probablement du transfert des gènes de l’endosymbionte vers le nucléaire tandis que les protéines non homologues à des protéines procaryotes résultent d’un phénomène « d’enrichissement » du protéome mitochondrial par de nouvelles protéines et donc de nouvelles fonctions.

Les protéines mitochondriales codées par le génome nucléaire (ou protéines mitochondriales nucléaires) sont importées à l'intérieur de la matrice mitochondriale par différents mécanismes possibles :

• des complexes d'importation (3 sur la membrane interne, 2 sur la membrane externe);
• un peptide signal (environ 15 à 30 acides aminés) en position N-terminale de la protéine qui permet sa reconnaissance et son importation dans la mitochondrie ;
• grâce à un apport énergétique.

Chez l'Homme

La taille du protéome mitochondrial humain est estimée à plus d’un millier de protéines, dont environ 1% codées par le génome mitochondrial (13 protéines), dont actuellement la moitié est identifiée. Seules 13 protéines sont codées par l’ADN mitochondrial, vestige du génome de l’endosymbionte. Toutes les autres protéines sont codées par le génome nucléaire.

Le génome mitochondrial

Vue détaillée d'une mitochondrie

Selon la théorie endosymbiotique, les mitochondries possèderaient une origine monophylétique unique. Une cellule eucaryote primitive (ou une Archaea) aurait intégré un endosymbionte procaryote il y a environ 1,5 à 2 milliards d’années, lorsque que l’atmosphère primitive s’est enrichie en oxygène. Les études phylogénétiques indiquent que cet endosymbionte est apparenté aux alpha-protéobactéries, le plus proche parent de la mitochondrie connu actuellement étant Rickettsia prowazekii, un parasite intracellulaire obligatoire. Au cours de l’évolution, la majorité des gènes de l’endosymbionte originel auraient été perdus ou bien transférés vers le noyau de la cellule eucaryote hôte. En effet, les nombreux pseudogènes mitochondriaux présents dans le génome attestent d’un processus de transfert tout au long de l’évolution.

Le matériel génétique (ADN mitochondrial) de la mitochondrie (qui est la seule partie des cellules animales à posséder son propre ADN, en plus du noyau) sert souvent dans les recherches phylogénétiques. Le génome mitochondrial (ADNmt) humain est circulaire et composé de 16 569 paires de bases, dont 13 cistrons codant des ARNms, 22 gènes pour des ARNts et 2 gènes pour des ARNrs.

Le génome mitochondrial peut être très différent d'une espèce à l'autre, il est extrêmement dynamique, il est souvent hétéroplasmique, c'est-à-dire que différentes formes coexistent 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.

Les ribosomes mitochondriaux ou mitoribosomes sont différents des ribosomes de la cellule : ils sont plus petits (70S au lieu de 80S).

Le code génétique employé pour la synthèse des protéines peut être différent de celui utilisé dans les synthèses cytosoliques. Chez les vértébrés 4 codons sur 64 ont une signification différente, dont le codon UGA qui est transcrit dans le cytosol en codon stop mais dans la matrice UGA est transcrit en tryptophane (Trp/W), AGG et AGA codent un codon STOP au lieu d'une arginine (Arg/R) et AUA code la méthionine (Met/M) au lieu de l'isoleucine (Ile/I). L'ADN mitochondrial peut aussi se répliquer.

Chez les animaux, lors de la reproduction sexuée, les mitochondries du spermatozoïde pourraient passer dans l'ovocyte, mais le nombre de mitochondries ainsi transférées reste très faible en comparaison de celles déjà présentes dans l'ovocyte. Autrement dit, la quasi totalité des mitochondries de la cellule-œuf provient du gamète femelle. L'étude de l'ADN mitochondrial humain permet donc de retracer les relations généalogiques entre les individus seulement selon la voie maternelle. Certaines études ont ainsi pu décrire un génome mitochondrial ancestral duquel descendraient tous les génomes mitochondriaux de l'humanité. L'individu femelle supposé qui portait ce génome a été dénommé Ève mitochondriale. Ce terme biblique reste toutefois trompeur, il est en effet très peu probable que l'humanité ait un unique ancêtre féminin et de récentes études, prouvant le transfert de mitochondries provenant des spermatozoïdes lors de la fécondation, remettent en cause cette théorie.