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Comment les propriétés physiologiques des mitochondries sont-elles mesurées ?


c'est ma première question sur BiologySE. Je suis un étudiant en Physique et Mathématiques qui réalise actuellement un projet sur la simulation de croissance cellulaire. Je fais une étude bibliographique et j'ai une question sur les méthodes expérimentales de biologie cellulaire.

Je comprends que le potentiel membranaire est une mesure de la fonctionnalité mitochondriale (un potentiel plus élevé signifie une chaîne de transport d'électrons plus efficace). De plus, le volume mitochondrial est également un indicateur de l'efficacité mitochondriale (volume plus élevé, surface plus élevée, plus d'endroits pour transporter des électrons).

J'aimerais avoir des éclaircissements sur certains points.

En particulier, ces potentiels et volume membranaires mitochondriaux peuvent-ils…

  • être mesuré pour une seule cellule, ou seulement dans une population ?

  • être mesuré de manière non destructive, laissant la cellule vivante ?

  • être mesuré simultanément, ou les expériences mesurant l'un rendent nécessairement l'autre indisponible ?

je pense surtout à in vitro expérimentations bien sûr.


Une méthode simple me permettrait d'exprimer une protéine fluorescente dans la cellule qui se localise spécifiquement dans les mitochondries. mito-dsRed est une protéine fluorescente rouge qui a cette propriété ; il peut être exprimé à partir d'un plasmide.

En utilisant la microscopie à fluorescence et l'analyse d'images, vous pourrez mesurer les propriétés géométriques des mitochondries. Cela peut également être fait au niveau d'une seule cellule (à l'aide d'un microscope confocal) et de manière non destructive. Le volume peut être mesuré par ce que l'on appelle l'empilement en Z, une technique automatisée par laquelle le microscope prend plusieurs clichés 2D sur différents plans et les empile pour construire une image 3D.

Vous pouvez également l'implémenter dans des cellules vivantes ; cette méthode est appelée imagerie des cellules vivantes.


Métabolisme

Nos rédacteurs examineront ce que vous avez soumis et détermineront s'il faut réviser l'article.

métabolisme, la somme des réactions chimiques qui se déroulent au sein de chaque cellule d'un organisme vivant et qui fournissent l'énergie nécessaire aux processus vitaux et à la synthèse de nouvelles matières organiques.

Les organismes vivants sont uniques en ce sens qu'ils peuvent extraire de l'énergie de leur environnement et l'utiliser pour effectuer des activités telles que le mouvement, la croissance, le développement et la reproduction. Mais comment les organismes vivants – ou leurs cellules – extraient-ils l'énergie de leur environnement, et comment les cellules utilisent-elles cette énergie pour synthétiser et assembler les composants à partir desquels les cellules sont constituées ?

Les réponses à ces questions se trouvent dans les réactions chimiques à médiation enzymatique qui ont lieu dans la matière vivante (métabolisme). Des centaines de réactions coordonnées à plusieurs étapes, alimentées par l'énergie obtenue à partir des nutriments et/ou de l'énergie solaire, convertissent finalement les matériaux facilement disponibles en molécules nécessaires à la croissance et à l'entretien.

Les propriétés physiques et chimiques des composants des êtres vivants traités dans cet article se trouvent dans les articles, photosynthèse des lipides, hormones cellulaires glucidiques et protéines.


Surveillance des changements dynamiques des niveaux de calcium mitochondrial pendant l'apoptose à l'aide d'un capteur de calcium génétiquement codé

Les changements dynamiques de la concentration de calcium intracellulaire en réponse à divers stimuli régulent de nombreux processus cellulaires tels que la prolifération, la différenciation et l'apoptose (1). Lors de l'apoptose, l'accumulation de calcium dans les mitochondries favorise la libération de facteurs pro-apoptotiques des mitochondries dans le cytosol(2). Il est donc intéressant de mesurer directement le calcium mitochondrial dans des cellules vivantes in situ au cours de l'apoptose. L'imagerie fluorescente à haute résolution de cellules chargées de colorants indicateurs de calcium synthétiques ratiométriques et non ratiométriques à double excitation s'est avérée être un outil fiable et polyvalent pour étudier divers aspects de la signalisation du calcium intracellulaire. La mesure des flux de calcium cytosolique à l'aide de ces techniques est relativement simple. Cependant, mesurer les niveaux de calcium intramitochondrial dans des cellules intactes à l'aide d'indicateurs de calcium synthétiques tels que le rhod-2 et le rhod-FF est plus difficile. Les indicateurs synthétiques ciblés sur les mitochondries ont émoussé les réponses aux augmentations répétitives du calcium mitochondrial et perturbent la morphologie mitochondriale (3). De plus, les indicateurs synthétiques ont tendance à s'échapper des mitochondries sur plusieurs heures, ce qui les rend impropres aux expériences à long terme. Ainsi, les indicateurs de calcium génétiquement codés basés sur la protéine fluorescente verte (GFP)(4) ou l'aequorine(5) ciblées sur les mitochondries ont grandement facilité la mesure de la dynamique du calcium mitochondrial. Ici, nous décrivons une méthode simple pour la mesure en temps réel des flux de calcium mitochondrial en réponse à différents stimuli. La méthode est basée sur la microscopie à fluorescence de « ratiométrique-péricam » qui cible sélectivement les mitochondries. Le péricam ratiométrique est un indicateur de calcium basé sur une fusion de protéine fluorescente jaune permutée circulairement et de calmoduline(4). La liaison du calcium au péricame ratiométrique provoque un décalage de son pic d'excitation de 415 nm à 494 nm, tandis que le spectre d'émission, qui culmine autour de 515 nm, reste inchangé. Le péricam ratiométrique lie un seul ion calcium avec une constante de dissociation in vitro de

1,7 µM(4). Ces propriétés du péricam ratiométrique permettent la quantification des changements rapides et à long terme de la concentration en calcium mitochondrial. En outre, nous décrivons l'adaptation de cette méthodologie à un microscope d'imagerie calcique à grand champ standard avec des ensembles de filtres couramment disponibles. En utilisant deux agonistes distincts, l'agoniste purinergique ATP et la staurosporine, un médicament induisant l'apoptose, nous démontrons que cette méthode est appropriée pour surveiller les changements dans la concentration de calcium mitochondrial avec une résolution temporelle de quelques secondes à quelques heures. En outre, nous démontrons également que la péricam ratiométrique est également utile pour mesurer la fission/fragmentation mitochondriale au cours de l'apoptose. Ainsi, le péricam ratiométrique est particulièrement bien adapté pour la mesure continue à long terme de la dynamique du calcium mitochondrial pendant l'apoptose.


Contenu

Les mitochondries peuvent avoir plusieurs formes différentes. [23] Une mitochondrie contient des membranes externes et internes composées de bicouches phospholipidiques et de protéines. [17] Les deux membranes ont des propriétés différentes. En raison de cette organisation à double membrane, une mitochondrie comporte cinq parties distinctes :

  1. La membrane mitochondriale externe,
  2. L'espace intermembranaire (l'espace entre les membranes externe et interne),
  3. La membrane mitochondriale interne,
  4. L'espace des crêtes (formé par les replis de la membrane interne), et
  5. La matrice (espace à l'intérieur de la membrane interne).

Les mitochondries dépourvues de leur membrane externe sont appelées mitoplastes.

Membrane externe Modifier

Les membrane mitochondriale externe, qui renferme l'ensemble de l'organite, a une épaisseur de 60 à 75 angströms (Å). Il a un rapport protéine/phospholipide similaire à celui de la membrane cellulaire (environ 1:1 en poids). Il contient un grand nombre de protéines membranaires intégrales appelées porines. Une protéine de trafic majeure est le canal anionique dépendant de la tension (VDAC) formant des pores. Le VDAC est le principal transporteur de nucléotides, d'ions et de métabolites entre le cytosol et l'espace intermembranaire. [24] [25] Il est formé comme un tonneau bêta qui s'étend sur la membrane externe, semblable à celui de la membrane bactérienne gram-négative. [26] Des protéines plus grosses peuvent entrer dans la mitochondrie si une séquence de signalisation à leur extrémité N se lie à une grande protéine multi-sous-unité appelée translocase dans la membrane externe, qui les déplace ensuite activement à travers la membrane. [27] Les proprotéines mitochondriales sont importées via des complexes de translocation spécialisés.

La membrane externe contient également des enzymes impliquées dans des activités aussi diverses que l'allongement des acides gras, l'oxydation de l'épinéphrine et la dégradation du tryptophane. Ces enzymes comprennent la monoamine oxydase, la NADH-cytochrome c-réductase insensible à la roténone, la kynurénine hydroxylase et l'acide gras Co-A ligase. La rupture de la membrane externe permet aux protéines de l'espace intermembranaire de s'infiltrer dans le cytosol, entraînant la mort cellulaire. [28] La membrane externe mitochondriale peut s'associer à la membrane du réticulum endoplasmique (RE), dans une structure appelée MAM (membrane ER associée aux mitochondries). Ceci est important dans la signalisation calcique du RE et des mitochondries et est impliqué dans le transfert des lipides entre le RE et les mitochondries. [29] À l'extérieur de la membrane externe, il y a de petites particules (diamètre : 60Å) appelées sous-unités de Parson.

Espace intermembranaire Modifier

Les espace intermembranaire mitochondrial est l'espace entre la membrane externe et la membrane interne. Il est également connu sous le nom d'espace périmitochondrial. Parce que la membrane externe est librement perméable aux petites molécules, les concentrations de petites molécules, telles que les ions et les sucres, dans l'espace intermembranaire sont les mêmes que dans le cytosol. [17] Cependant, les grandes protéines doivent avoir une séquence de signalisation spécifique pour être transportées à travers la membrane externe, de sorte que la composition protéique de cet espace est différente de la composition protéique du cytosol. Une protéine qui est ainsi localisée dans l'espace intermembranaire est le cytochrome c. [28]

Membrane intérieure Modifier

La membrane mitochondriale interne contient des protéines avec trois types de fonctions : [17]

  1. Ceux qui effectuent les réactions d'oxydoréduction en chaîne de transport d'électrons, qui génèrent de l'ATP dans la matrice
  2. Protéines de transport spécifiques qui régulent le passage des métabolites dans et hors de la matrice mitochondriale

Il contient plus de 151 polypeptides différents et présente un rapport protéine/phospholipide très élevé (plus de 3:1 en poids, soit environ 1 protéine pour 15 phospholipides). La membrane interne abrite environ 1/5 de la protéine totale dans une mitochondrie. [30] De plus, la membrane interne est riche en un phospholipide inhabituel, la cardiolipine. Ce phospholipide a été initialement découvert dans le cœur des vaches en 1942 et est généralement caractéristique des membranes plasmiques mitochondriales et bactériennes. [31] Cardiolipin contient quatre acides gras plutôt que deux et peut aider à rendre la membrane interne imperméable. [17] Contrairement à la membrane externe, la membrane interne ne contient pas de porines et est hautement imperméable à toutes les molécules. Presque tous les ions et molécules nécessitent des transporteurs membranaires spéciaux pour entrer ou sortir de la matrice. Les protéines sont transportées dans la matrice via le complexe translocase de la membrane interne (TIM) ou via OXA1L. [27] De plus, il existe un potentiel membranaire à travers la membrane interne, formé par l'action des enzymes de la chaîne de transport d'électrons. La fusion de la membrane interne est médiée par la protéine de la membrane interne OPA1. [32]

Cristae Modifier

La membrane mitochondriale interne est compartimentée en de nombreux replis appelés crêtes, qui élargissent la surface de la membrane mitochondriale interne, améliorant ainsi sa capacité à produire de l'ATP. Pour les mitochondries hépatiques typiques, la surface de la membrane interne est environ cinq fois plus grande que la membrane externe. Ce rapport est variable et les mitochondries des cellules qui ont une plus grande demande en ATP, comme les cellules musculaires, contiennent encore plus de crêtes. Les mitochondries au sein d'une même cellule peuvent avoir une densité de crête sensiblement différente, celles qui sont nécessaires pour produire plus d'énergie ayant une surface de membrane de crête beaucoup plus importante. [33] Ces plis sont parsemés de petits corps ronds appelés F1 particules ou oxysomes. [34]

Matrice Modifier

La matrice est l'espace délimité par la membrane interne. Il contient environ 2/3 des protéines totales dans une mitochondrie. [17] La ​​matrice est importante dans la production d'ATP à l'aide de l'ATP synthase contenue dans la membrane interne. La matrice contient un mélange hautement concentré de centaines d'enzymes, de ribosomes mitochondriaux spéciaux, d'ARNt et de plusieurs copies du génome de l'ADN mitochondrial. Parmi les enzymes, les principales fonctions comprennent l'oxydation du pyruvate et des acides gras, et le cycle de l'acide citrique. [17] Les molécules d'ADN sont conditionnées en nucléoïdes par des protéines, dont TFAM. [35]

Les rôles les plus importants des mitochondries sont de produire la monnaie énergétique de la cellule, l'ATP (c'est-à-dire la phosphorylation de l'ADP), par la respiration et de réguler le métabolisme cellulaire. [18] L'ensemble central de réactions impliquées dans la production d'ATP est connu collectivement sous le nom de cycle d'acide citrique, ou cycle de Krebs. Cependant, la mitochondrie a de nombreuses autres fonctions en plus de la production d'ATP.

Conversion d'énergie Modifier

Un rôle dominant pour les mitochondries est la production d'ATP, comme en témoigne le grand nombre de protéines dans la membrane interne pour cette tâche. Cela se fait en oxydant les principaux produits du glucose : le pyruvate et le NADH, qui sont produits dans le cytosol. [18] Ce type de respiration cellulaire, connue sous le nom de respiration aérobie, dépend de la présence d'oxygène, qui fournit la majeure partie de l'énergie libérée. [36] Lorsque l'oxygène est limité, les produits glycolytiques seront métabolisés par fermentation anaérobie, processus indépendant des mitochondries. [18] La production d'ATP à partir de glucose et d'oxygène a un rendement environ 13 fois plus élevé pendant la respiration aérobie par rapport à la fermentation. [37] Les mitochondries végétales peuvent également produire une quantité limitée d'ATP soit en brisant le sucre produit pendant la photosynthèse, soit sans oxygène en utilisant le substrat alternatif nitrite. [38] L'ATP traverse la membrane interne à l'aide d'une protéine spécifique et traverse la membrane externe via les porines. [39] ADP revient par le même chemin.

Pyruvate et le cycle de l'acide citrique Modifier

Les molécules de pyruvate produites par la glycolyse sont activement transportées à travers la membrane mitochondriale interne et dans la matrice où elles peuvent être oxydées et combinées avec la coenzyme A pour former du CO2, acétyl-CoA et NADH, [18] ou ils peuvent être carboxylés (par la pyruvate carboxylase) pour former de l'oxaloacétate. Cette dernière réaction "remplit" la quantité d'oxaloacétate dans le cycle de l'acide citrique et est donc une réaction anapléotique, augmentant la capacité du cycle à métaboliser l'acétyl-CoA lorsque les besoins énergétiques du tissu (par exemple, dans le muscle) sont soudainement augmentés par l'activité. [40]

Dans le cycle de l'acide citrique, tous les intermédiaires (par exemple le citrate, l'iso-citrate, l'alpha-cétoglutarate, le succinate, le fumarate, le malate et l'oxaloacétate) sont régénérés à chaque tour du cycle. L'ajout de plus de l'un de ces intermédiaires à la mitochondrie signifie donc que la quantité supplémentaire est conservée dans le cycle, augmentant tous les autres intermédiaires à mesure que l'un est converti en l'autre. Par conséquent, l'ajout de l'un d'entre eux au cycle a un effet anaplérotique et son retrait a un effet catapléotique. Ces réactions anaplérotiques et cataplétiques vont, au cours du cycle, augmenter ou diminuer la quantité d'oxaloacétate disponible pour se combiner avec l'acétyl-CoA pour former de l'acide citrique. Cela augmente ou diminue à son tour le taux de production d'ATP par la mitochondrie, et donc la disponibilité d'ATP pour la cellule. [40]

L'acétyl-CoA, quant à lui, issu de l'oxydation du pyruvate, ou de la bêta-oxydation des acides gras, est le seul carburant à entrer dans le cycle de l'acide citrique. A chaque tour du cycle, une molécule d'acétyl-CoA est consommée pour chaque molécule d'oxaloacétate présente dans la matrice mitochondriale, et n'est jamais régénérée. C'est l'oxydation de la partie acétate de l'acétyl-CoA qui produit du CO2 et de l'eau, l'énergie ainsi libérée étant captée sous forme d'ATP. [40]

Dans le foie, la carboxylation du pyruvate cytosolique en oxaloacétate intra-mitochondrial est une étape précoce de la voie gluconéogène, qui convertit le lactate et l'alanine désaminée en glucose, [18] [40] sous l'influence de taux élevés de glucagon et/ ou de l'épinéphrine dans le sang. [40] Ici, l'ajout d'oxaloacétate à la mitochondrie n'a pas d'effet anaplérotique net, car un autre intermédiaire du cycle de l'acide citrique (malate) est immédiatement retiré de la mitochondrie pour être converti en oxaloacétate cytosolique, qui est finalement converti en glucose, en un processus qui est presque l'inverse de la glycolyse. [40]

Les enzymes du cycle de l'acide citrique sont situées dans la matrice mitochondriale, à l'exception de la succinate déshydrogénase, qui est liée à la membrane mitochondriale interne dans le cadre du complexe II. [41] Le cycle de l'acide citrique oxyde l'acétyl-CoA en dioxyde de carbone et, dans le processus, produit des cofacteurs réduits (trois molécules de NADH et une molécule de FADH2) qui sont une source d'électrons pour la chaîne de transport d'électrons, et une molécule de GTP (qui est facilement convertie en ATP). [18]

NADH et FADH2: la chaîne de transport d'électrons Modifier

Les électrons de NADH et FADH2 sont transférés à l'oxygène (O2), une molécule riche en énergie, [36] et de l'hydrogène (protons) en plusieurs étapes via la chaîne de transport d'électrons. NADH et FADH2 les molécules sont produites au sein de la matrice via le cycle de l'acide citrique mais sont également produites dans le cytoplasme par glycolyse. Les équivalents réducteurs du cytoplasme peuvent être importés via le système de navette malate-aspartate de protéines antiporter ou alimenter la chaîne de transport d'électrons à l'aide d'une navette de phosphate de glycérol. [18] Des complexes protéiques dans la membrane interne (NADH déshydrogénase (ubiquinone), cytochrome c réductase et cytochrome c oxydase) effectuent le transfert et la libération progressive d'énergie est utilisée pour pomper des protons (H + ) dans l'espace intermembranaire. Ce processus est efficace, mais un petit pourcentage d'électrons peut réduire prématurément l'oxygène, formant des espèces réactives de l'oxygène telles que le superoxyde. [18] Cela peut provoquer un stress oxydatif dans les mitochondries et contribuer au déclin de la fonction mitochondriale associée au processus de vieillissement. [42]

Au fur et à mesure que la concentration de protons augmente dans l'espace intermembranaire, un fort gradient électrochimique s'établit à travers la membrane interne. Les protons peuvent retourner à la matrice à travers le complexe ATP synthase, et leur énergie potentielle est utilisée pour synthétiser l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique (Pje). [18] Ce processus est appelé chimiosmose et a été décrit pour la première fois par Peter Mitchell, [43] [44] qui a reçu le prix Nobel de chimie de 1978 pour son travail. Plus tard, une partie du prix Nobel de chimie 1997 a été décerné à Paul D. Boyer et John E. Walker pour leur clarification du mécanisme de fonctionnement de l'ATP synthase. [45]

Production de chaleur Modifier

Dans certaines conditions, les protons peuvent réintégrer la matrice mitochondriale sans contribuer à la synthèse d'ATP. Ce processus est connu sous le nom fuite de protons ou le découplage mitochondrial et est dû à la diffusion facilitée des protons dans la matrice. Le processus a pour résultat que l'énergie potentielle non exploitée du gradient électrochimique de protons est libérée sous forme de chaleur. [18] Le processus est médié par un canal de protons appelé thermogénine, ou UCP1.[46] La thermogénine se trouve principalement dans le tissu adipeux brun, ou graisse brune, et est responsable de la thermogenèse sans frisson. Le tissu adipeux brun se trouve chez les mammifères et est à son plus haut niveau au début de la vie et chez les animaux en hibernation. Chez l'homme, le tissu adipeux brun est présent à la naissance et diminue avec l'âge. [46]

Stockage des ions calcium Modifier

Les concentrations de calcium libre dans la cellule peuvent réguler un éventail de réactions et sont importantes pour la transduction du signal dans la cellule. Les mitochondries peuvent stocker de manière transitoire du calcium, un processus qui contribue à l'homéostasie cellulaire du calcium. [47] [48] Leur capacité à absorber rapidement du calcium pour une libération ultérieure en fait de bons "tampons cytosoliques" pour le calcium. [49] [50] [51] Le réticulum endoplasmique (RE) est le site de stockage le plus important du calcium, [52] et il existe une interaction significative entre la mitochondrie et le RE en ce qui concerne le calcium. [53] Le calcium est absorbé dans la matrice par l'uniporteur de calcium mitochondrial sur la membrane mitochondriale interne. [54] Il est principalement conduit par le potentiel membranaire mitochondrial. [48] ​​La libération de ce calcium à l'intérieur de la cellule peut se produire via une protéine d'échange sodium-calcium ou via des voies de « libération de calcium induite par le calcium ». [54] Cela peut initier des pointes de calcium ou des vagues de calcium avec de grands changements dans le potentiel membranaire. Ceux-ci peuvent activer une série de protéines du système de second messager qui peuvent coordonner des processus tels que la libération de neurotransmetteurs dans les cellules nerveuses et la libération d'hormones dans les cellules endocrines. [55]

L'afflux de Ca 2+ dans la matrice mitochondriale a récemment été mis en cause comme mécanisme de régulation de la bioénergétique respiratoire en permettant au potentiel électrochimique à travers la membrane de passer transitoirement de -dominé à pH-dominé, facilitant une réduction du stress oxydatif. [56] Dans les neurones, des augmentations concomitantes du calcium cytosolique et mitochondrial agissent pour synchroniser l'activité neuronale avec le métabolisme énergétique mitochondrial. Les niveaux de calcium de la matrice mitochondriale peuvent atteindre des dizaines de niveaux micromolaires, ce qui est nécessaire pour l'activation de l'isocitrate déshydrogénase, l'une des enzymes régulatrices clés du cycle de Krebs. [57]

Régulation de la prolifération cellulaire Modifier

La relation entre la prolifération cellulaire et les mitochondries a été étudiée. Les cellules tumorales ont besoin de suffisamment d'ATP pour synthétiser des composés bioactifs tels que des lipides, des protéines et des nucléotides pour une prolifération rapide. [58] La majorité de l'ATP dans les cellules tumorales est générée via la voie de phosphorylation oxydative (OxPhos). [59] L'interférence avec OxPhos provoque un arrêt du cycle cellulaire suggérant que les mitochondries jouent un rôle dans la prolifération cellulaire. [59] La production d'ATP mitochondrial est également vitale pour la division cellulaire et la différenciation dans l'infection [60] en plus des fonctions de base dans la cellule, notamment la régulation du volume cellulaire, la concentration de soluté et l'architecture cellulaire. [61] [62] [63] Les niveaux d'ATP diffèrent à divers stades du cycle cellulaire, suggérant qu'il existe une relation entre l'abondance d'ATP et la capacité de la cellule à entrer dans un nouveau cycle cellulaire. [64] Le rôle de l'ATP dans les fonctions de base de la cellule rend le cycle cellulaire sensible aux changements dans la disponibilité de l'ATP dérivé des mitochondries. [64] La variation des niveaux d'ATP à différentes étapes du cycle cellulaire soutient l'hypothèse selon laquelle les mitochondries jouent un rôle important dans la régulation du cycle cellulaire. [64] Bien que les mécanismes spécifiques entre les mitochondries et la régulation du cycle cellulaire ne soient pas bien compris, des études ont montré que les points de contrôle du cycle cellulaire à faible énergie surveillent la capacité énergétique avant de s'engager dans un autre cycle de division cellulaire. [9]

Fonctions supplémentaires Modifier

Les mitochondries jouent un rôle central dans de nombreuses autres tâches métaboliques, telles que :

  • Signalisation par les espèces réactives de l'oxygène mitochondrial [65]
  • Régulation du potentiel membranaire[18] -mort cellulaire programmée [66]
  • Signalisation du calcium (y compris l'apoptose évoquée par le calcium) [67]
  • Régulation du métabolisme cellulaire[9]
  • Certaines réactions de synthèse de l'hème [68](voir aussi : porphyrine) synthèse. [49]
  • Signalisation hormonale [69] Les mitochondries sont sensibles et réactives aux hormones, en partie par l'action des récepteurs mitochondriaux des œstrogènes (mtER). Ces récepteurs ont été trouvés dans divers tissus et types de cellules, y compris le cerveau [70] et le cœur [71]
  • Signalisation immunitaire [72]
  • Les mitochondries neuronales contribuent également au contrôle de la qualité cellulaire en signalant l'état neuronal de la microglie par le biais de jonctions somatiques spécialisées. [73]

Certaines fonctions mitochondriales ne sont exécutées que dans des types spécifiques de cellules. Par exemple, les mitochondries des cellules hépatiques contiennent des enzymes qui leur permettent de détoxifier l'ammoniac, un déchet du métabolisme des protéines. Une mutation dans les gènes régulant l'une de ces fonctions peut entraîner des maladies mitochondriales.

Les mitochondries (et les structures apparentées) se trouvent chez tous les eucaryotes (sauf deux, l'Oxymonade Monocercomonoïdes et Henneguya salminicola). [5] [6] [7] [74] Bien que généralement décrits comme des structures semblables à des haricots, ils forment un réseau hautement dynamique dans la majorité des cellules où ils subissent constamment une fission et une fusion. La population de toutes les mitochondries d'une cellule donnée constitue le chondriome. [75] Les mitochondries varient en nombre et en emplacement selon le type cellulaire. Une seule mitochondrie est souvent trouvée dans les organismes unicellulaires, tandis que les cellules hépatiques humaines ont environ 1000 à 2000 mitochondries par cellule, ce qui représente 1/5 du volume cellulaire. [17] Le contenu mitochondrial de cellules par ailleurs similaires peut varier considérablement en taille et en potentiel membranaire, [76] avec des différences provenant de sources comprenant une partition inégale au niveau des divisions cellulaires, entraînant des différences extrinsèques dans les niveaux d'ATP et les processus cellulaires en aval. [77] Les mitochondries peuvent être trouvées nichées entre les myofibrilles du muscle ou enroulées autour du flagelle du sperme. [17] Souvent, ils forment un réseau de ramifications 3D complexe à l'intérieur de la cellule avec le cytosquelette. L'association avec le cytosquelette détermine la forme mitochondriale, qui peut également affecter la fonction : [78] différentes structures du réseau mitochondrial peuvent offrir à la population une variété d'avantages ou d'inconvénients physiques, chimiques et de signalisation. [79] Les mitochondries dans les cellules sont toujours distribuées le long des microtubules et la distribution de ces organites est également corrélée avec le réticulum endoplasmique. [80] Des preuves récentes suggèrent que la vimentine, l'un des composants du cytosquelette, est également essentielle à l'association avec le cytosquelette. [81]

Membrane RE associée aux mitochondries (MAM) Modifier

La membrane ER associée aux mitochondries (MAM) est un autre élément structurel de plus en plus reconnu pour son rôle essentiel dans la physiologie cellulaire et l'homéostasie. Autrefois considérés comme un problème technique dans les techniques de fractionnement cellulaire, les contaminants présumés des vésicules du RE qui apparaissaient invariablement dans la fraction mitochondriale ont été réidentifiés comme des structures membraneuses dérivées du MAM, l'interface entre les mitochondries et le RE. [82] Le couplage physique entre ces deux organites avait été précédemment observé dans les micrographies électroniques et a été plus récemment sondé avec la microscopie à fluorescence. [82] De telles études estiment qu'au MAM, qui peut comprendre jusqu'à 20% de la membrane externe mitochondriale, le RE et les mitochondries sont séparés par à peine 10-25 nm et maintenus ensemble par des complexes d'attache protéique. [82] [29] [83]

La MAM purifiée issue du fractionnement subcellulaire est enrichie en enzymes impliquées dans l'échange de phospholipides, en plus des canaux associés à la signalisation Ca 2+. [82] [83] Ces indices d'un rôle important du MAM dans la régulation des réserves de lipides cellulaires et la transduction du signal ont été confirmés, avec des implications significatives pour les phénomènes cellulaires associés aux mitochondries, comme discuté ci-dessous. Non seulement le MAM a fourni un aperçu de la base mécanistique sous-jacente à des processus physiologiques tels que l'apoptose intrinsèque et la propagation de la signalisation calcique, mais il favorise également une vision plus raffinée des mitochondries. Bien que souvent considérée comme des « centrales » statiques et isolées détournées pour le métabolisme cellulaire par le biais d'un ancien événement endosymbiotique, l'évolution du MAM souligne à quel point les mitochondries ont été intégrées dans la physiologie cellulaire globale, avec un couplage physique et fonctionnel intime avec le système endomembranaire.

Transfert de phospholipides Modifier

La MAM est enrichie en enzymes impliquées dans la biosynthèse des lipides, telles que la phosphatidylsérine synthase sur la face du RE et la phosphatidylsérine décarboxylase sur la face mitochondriale. [84] [85] Parce que les mitochondries sont des organites dynamiques subissant constamment des événements de fission et de fusion, elles nécessitent un approvisionnement constant et bien régulé de phospholipides pour l'intégrité de la membrane. [86] [87] Mais les mitochondries ne sont pas seulement une destination pour les phospholipides dont elles finissent plutôt la synthèse, cet organite joue également un rôle dans le trafic inter-organite des intermédiaires et des produits des voies de biosynthèse des phospholipides, du métabolisme des céramides et du cholestérol, et des glycosphingolipides anabolisme. [85] [87]

Une telle capacité de trafic dépend du MAM, qui a été montré pour faciliter le transfert d'intermédiaires lipidiques entre les organites. [84] Contrairement au mécanisme vésiculaire standard de transfert de lipides, les preuves indiquent que la proximité physique du RE et des membranes mitochondriales au niveau du MAM permet le basculement des lipides entre les bicouches opposées. [87] Malgré ce mécanisme inhabituel et apparemment énergétiquement défavorable, un tel transport ne nécessite pas d'ATP. [87] Au lieu de cela, chez la levure, il a été démontré qu'elle dépendait d'une structure d'attache multiprotéique appelée structure de rencontre ER-mitochondries, ou ERMES, bien qu'il ne soit pas clair si cette structure médie directement le transfert de lipides ou est nécessaire pour maintenir les membranes en suffisamment proche pour abaisser la barrière énergétique pour le retournement des lipides. [87] [88]

Le MAM peut également faire partie de la voie de sécrétion, en plus de son rôle dans le trafic lipidique intracellulaire. En particulier, le MAM semble être une destination intermédiaire entre le RE rugueux et le Golgi dans la voie qui conduit à l'assemblage et à la sécrétion des lipoprotéines de très basse densité, ou VLDL. [85] [89] Le MAM sert ainsi de plaque tournante métabolique et de trafic critique dans le métabolisme lipidique.

Signalisation du calcium Modifier

Un rôle critique du RE dans la signalisation calcique a été reconnu avant qu'un tel rôle pour les mitochondries ne soit largement accepté, en partie parce que la faible affinité des canaux Ca 2+ localisés sur la membrane mitochondriale externe semblait contredire la prétendue réactivité de cet organite aux changements dans les Flux de Ca 2+. [82] [52] Mais la présence du MAM résout cette apparente contradiction : l'association physique étroite entre les deux organites se traduit par des microdomaines Ca 2+ aux points de contact qui facilitent une transmission efficace du Ca 2+ du RE aux mitochondries. [82] La transmission se produit en réponse aux soi-disant « bouffées de Ca 2+ » générées par le regroupement spontané et l'activation d'IP3R, un canal Ca 2+ canonique de la membrane du RE. [82] [29]

Le devenir de ces bouffées, en particulier, qu'elles restent confinées à des lieux isolés ou intégrées dans des ondes de Ca 2+ pour se propager dans toute la cellule, est déterminée en grande partie par la dynamique MAM. Bien que la recapture du Ca 2+ par le RE (concomitamment à sa libération) module l'intensité des bouffées, isolant ainsi les mitochondries dans une certaine mesure d'une exposition élevée au Ca 2+, le MAM sert souvent de pare-feu qui tamponne essentiellement les bouffées de Ca 2+ en agissant comme un puits dans lequel les ions libres libérés dans le cytosol peuvent être canalisés. [82] [90] [91] Cette tunnelisation du Ca 2+ se produit à travers le récepteur de faible affinité Ca 2+ VDAC1, qui s'est récemment avéré physiquement attaché aux clusters IP3R sur la membrane du RE et enrichi au MAM. [82] [29] [92] La capacité des mitochondries à servir de puits de Ca 2+ est le résultat du gradient électrochimique généré pendant la phosphorylation oxydative, qui fait du tunneling du cation un processus exergonique. [92] L'afflux de calcium normal et doux du cytosol dans la matrice mitochondriale provoque une dépolarisation transitoire qui est corrigée en pompant des protons.

Mais la transmission du Ca 2+ n'est pas plutôt unidirectionnelle, c'est une rue à double sens. [52] Les propriétés de la pompe Ca 2+ SERCA et du canal IP3R présent sur la membrane du RE facilitent la régulation par rétroaction coordonnée par la fonction MAM. En particulier, la clairance de Ca 2+ par le MAM permet une structuration spatio-temporelle de la signalisation Ca 2+ car Ca 2+ altère l'activité IP3R de manière biphasique. [82] SERCA est également affecté par la rétroaction mitochondriale : l'absorption de Ca 2+ par le MAM stimule la production d'ATP, fournissant ainsi de l'énergie qui permet à SERCA de recharger le RE avec Ca 2+ pour un efflux continu de Ca 2+ au MAM. [90] [92] Ainsi, le MAM n'est pas un tampon passif pour les bouffées de Ca 2+, il aide plutôt à moduler davantage la signalisation de Ca 2+ via des boucles de rétroaction qui affectent la dynamique du RE.

La régulation de la libération ER de Ca 2+ au niveau du MAM est particulièrement critique car seule une certaine fenêtre d'absorption de Ca 2+ maintient les mitochondries, et par conséquent la cellule, à l'homéostasie. Une signalisation intraorganite suffisante de Ca 2+ est nécessaire pour stimuler le métabolisme en activant les enzymes déshydrogénases essentielles au flux à travers le cycle de l'acide citrique. [93] [94] Cependant, une fois que la signalisation du Ca 2+ dans les mitochondries dépasse un certain seuil, elle stimule la voie intrinsèque de l'apoptose en partie en réduisant le potentiel membranaire mitochondrial requis pour le métabolisme. [82] Des études examinant le rôle des facteurs pro- et anti-apoptotiques soutiennent ce modèle, par exemple, il a été démontré que le facteur anti-apoptotique Bcl-2 interagit avec les IP3R pour réduire le remplissage en Ca 2+ du RE, entraînant une réduction de l'efflux au MAM et empêchant l'effondrement des stimuli post-apoptotiques potentiels de la membrane mitochondriale. [82] Compte tenu de la nécessité d'une régulation aussi fine de la signalisation du Ca 2+, il n'est peut-être pas surprenant que le Ca 2+ mitochondrial dérégulé ait été impliqué dans plusieurs maladies neurodégénératives, alors que le catalogue des suppresseurs de tumeurs en comprend quelques-uns qui sont enrichis au MAM. [92]

Base moléculaire de l'attache Modifier

Des progrès récents dans l'identification des attaches entre les membranes mitochondriales et ER suggèrent que la fonction d'échafaudage des éléments moléculaires impliqués est secondaire à d'autres fonctions non structurelles. Chez la levure, ERMES, un complexe multiprotéique d'interactions entre les protéines membranaires du RE et des mitochondries, est nécessaire pour le transfert des lipides au niveau du MAM et illustre ce principe. L'un de ses composants, par exemple, est également un constituant du complexe protéique nécessaire à l'insertion des protéines transmembranaires bêta-baril dans la bicouche lipidique. [87] Cependant, un homologue du complexe ERMES n'a pas encore été identifié dans les cellules de mammifères. D'autres protéines impliquées dans l'échafaudage ont également des fonctions indépendantes de l'attache structurelle au MAM. événements de fusion entre les mitochondries individuelles. [82] La protéine liée au glucose 75 (grp75) est une autre protéine à double fonction. En plus du pool matriciel de grp75, une partie sert de chaperon qui relie physiquement les canaux mitochondriaux et ER Ca 2+ VDAC et IP3R pour une transmission efficace du Ca 2+ au MAM. [82] [29] Une autre attache potentielle est Sigma-1R, un récepteur non opioïde dont la stabilisation de l'IP3R résident du RE peut préserver la communication au niveau du MAM pendant la réponse au stress métabolique. [95] [96]

Perspective Modifier

Le MAM est une plaque tournante critique de la signalisation, du métabolisme et du trafic dans la cellule qui permet l'intégration de l'ER et de la physiologie mitochondriale. Le couplage entre ces organites n'est pas simplement structurel mais également fonctionnel et critique pour la physiologie cellulaire globale et l'homéostasie. Le MAM offre ainsi une perspective sur les mitochondries qui s'écarte de la vision traditionnelle de cet organite comme une unité statique et isolée appropriée pour sa capacité métabolique par la cellule. [97] Au lieu de cela, cette interface mitochondriale-ER met l'accent sur l'intégration des mitochondries, le produit d'un événement endosymbiotique, dans divers processus cellulaires. Récemment, il a également été montré que les mitochondries et les MAM-s dans les neurones sont ancrées à des sites de communication intercellulaire spécialisés (appelés jonctions somatiques). Les processus microgliaux surveillent et protègent les fonctions neuronales de ces sites, et les MAM-s sont censés jouer un rôle important dans ce type de contrôle de qualité cellulaire. [73]

Il existe deux hypothèses sur l'origine des mitochondries : endosymbiotique et autogène. L'hypothèse endosymbiotique suggère que les mitochondries étaient à l'origine des cellules procaryotes, capables de mettre en œuvre des mécanismes oxydatifs qui n'étaient pas possibles pour les cellules eucaryotes, elles sont devenues des endosymbiotes vivant à l'intérieur de l'eucaryote. [98] Dans l'hypothèse autogène, les mitochondries sont nées en séparant une portion d'ADN du noyau de la cellule eucaryote au moment de la divergence avec les procaryotes cette portion d'ADN aurait été enfermée par des membranes, qui ne pourraient pas être traversées par des protéines . Étant donné que les mitochondries ont de nombreuses caractéristiques en commun avec les bactéries, l'hypothèse endosymbiotique est plus largement acceptée. [98] [99]

Une mitochondrie contient de l'ADN, qui est organisé en plusieurs copies d'un seul chromosome, généralement circulaire. Ce chromosome mitochondrial contient des gènes pour les protéines redox, comme celles de la chaîne respiratoire. L'hypothèse du CoRR propose que cette co-localisation est nécessaire pour la régulation redox. Le génome mitochondrial code pour certains ARN de ribosomes, et les 22 ARNt nécessaires à la traduction des ARNm en protéine. La structure circulaire se retrouve également chez les procaryotes. La proto-mitochondrie était probablement étroitement liée à Rickettsia. [100] [101] Cependant, la relation exacte de l'ancêtre des mitochondries aux alphaprotéobactéries et si la mitochondrie s'est formée en même temps ou après le noyau, reste controversée. [102] Par exemple, il a été suggéré que le clade de bactéries SAR11 partage un ancêtre commun relativement récent avec les mitochondries, [103] tandis que les analyses phylogénomiques indiquent que les mitochondries ont évolué à partir d'une lignée de protéobactéries qui est étroitement liée ou un membre des alphaprotéobactéries . [104] [105]

Sous-groupes Ib, II, IIIa, IIIb, IV et V

Les ribosomes codés par l'ADN mitochondrial sont similaires à ceux des bactéries en taille et en structure. [107] Ils ressemblent étroitement au ribosome bactérien 70S et non aux ribosomes cytoplasmiques 80S, qui sont codés par l'ADN nucléaire.

La relation endosymbiotique des mitochondries avec leurs cellules hôtes a été popularisée par Lynn Margulis.[108] L'hypothèse endosymbiotique suggère que les mitochondries sont issues de bactéries qui ont survécu à l'endocytose par une autre cellule et se sont incorporées au cytoplasme. La capacité de ces bactéries à conduire la respiration dans les cellules hôtes qui s'étaient appuyées sur la glycolyse et la fermentation aurait fourni un avantage évolutif considérable. Cette relation symbiotique s'est probablement développée il y a 1,7 à 2 milliards d'années. [109] [110] Quelques groupes d'eucaryotes unicellulaires n'ont que des mitochondries vestigiales ou des structures dérivées : les microsporidiens, les métamonades et les archamoebae. [111] Ces groupes apparaissent comme les eucaryotes les plus primitifs sur les arbres phylogénétiques construits à l'aide d'informations d'ARNr, ce qui suggérait autrefois qu'ils étaient apparus avant l'origine des mitochondries. Cependant, il s'agit maintenant d'un artefact d'attraction à longue branche - ce sont des groupes dérivés et conservent des gènes ou des organites dérivés des mitochondries (par exemple, les mitosomes et les hydrogénosomes). [4] Hydrogénosomes, mitosomes et organites apparentés tels que trouvés dans certains loricifera (par ex. Spinoloricus) [112] [113] et les myxozoaires (par ex. Henneguya zschokkei) sont classés ensemble comme des MRO, des organites liés aux mitochondries. [114] [115]

Les monocercomonoïdes semblent avoir complètement perdu leurs mitochondries et au moins certaines des fonctions mitochondriales semblent être assurées par des protéines cytoplasmiques maintenant. [116]

Les mitochondries contiennent leur propre génome. Les Humain Le génome mitochondrial est une molécule d'ADN circulaire d'environ 16 kilobases. [117] Il code 37 gènes : 13 pour les sous-unités des complexes respiratoires I, III, IV et V, 22 pour l'ARNt mitochondrial (pour les 20 acides aminés standards, plus un gène supplémentaire pour la leucine et la sérine), et 2 pour l'ARNr. [117] Une mitochondrie peut contenir de deux à dix copies de son ADN. [118]

Comme chez les procaryotes, il existe une très forte proportion d'ADN codant et une absence de répétitions. Les gènes mitochondriaux sont transcrits sous forme de transcrits multigéniques, qui sont clivés et polyadénylés pour produire des ARNm matures. La plupart des protéines nécessaires à la fonction mitochondriale sont codées par des gènes dans le noyau cellulaire et les protéines correspondantes sont importées dans la mitochondrie. [119] Le nombre exact de gènes codés par le noyau et le génome mitochondrial diffère selon les espèces. La plupart des génomes mitochondriaux sont circulaires. [120] En général, l'ADN mitochondrial manque d'introns, comme c'est le cas dans le génome mitochondrial humain [119] cependant, des introns ont été observés dans certains ADN mitochondriaux eucaryotes, [121] comme celui de la levure [122] et des protistes, [ 123] y compris Dictyostelium discoideum. [124] Entre les régions codant pour les protéines, des ARNt sont présents. Les gènes d'ARNt mitochondrial ont des séquences différentes des ARNt nucléaires, mais des ressemblances d'ARNt mitochondriaux ont été trouvées dans les chromosomes nucléaires avec une similitude de séquence élevée. [125]

Chez les animaux, le génome mitochondrial est généralement un seul chromosome circulaire d'environ 16 kb de long et contenant 37 gènes. Les gènes, bien que hautement conservés, peuvent varier en emplacement. Curieusement, ce modèle ne se retrouve pas chez le pou de corps humain (Pédicule humain). Au lieu de cela, ce génome mitochondrial est organisé en 18 chromosomes minicirculaires, chacun d'une longueur de 3 à 4 kb et possédant un à trois gènes. [126] Ce modèle se retrouve également chez d'autres poux suceurs, mais pas chez les poux broyeurs. Il a été démontré que la recombinaison se produit entre les minichromosomes.

Code génétique alternatif Modifier

Exceptions au code génétique standard dans les mitochondries [17]
Organisme Codon Standard Mitochondries
Mammifères AGA, AGG Arginine Codon d'arrêt
Invertébrés AGA, AGG Arginine Sérine
Champignons AUC Leucine thréonine
Tout ce qui précède AUA Isoleucine Méthionine
UGA Codon d'arrêt Tryptophane

Alors que de légères variations sur le code génétique standard avaient été prédites auparavant, [127] aucune n'a été découverte jusqu'en 1979, lorsque les chercheurs étudiant les gènes mitochondriaux humains ont déterminé qu'ils utilisaient un code alternatif. [128] Cependant, les mitochondries de nombreux autres eucaryotes, y compris la plupart des plantes, utilisent le code standard. [129] De nombreuses variantes légères ont été découvertes depuis, [130] y compris divers codes mitochondriaux alternatifs. [131] En outre, les codons AUA, AUC et AUU sont tous des codons d'initiation autorisés.

Certaines de ces différences doivent être considérées comme des pseudo-changements du code génétique dus au phénomène d'édition de l'ARN, qui est courant dans les mitochondries. Dans les plantes supérieures, on pensait que CGG codait pour le tryptophane et non pour l'arginine, cependant, le codon dans l'ARN traité s'est avéré être le codon UGG, cohérent avec le code génétique standard du tryptophane. [132] Il est à noter que le code génétique mitochondrial des arthropodes a subi une évolution parallèle au sein d'un phylum, certains organismes traduisant de manière unique AGG en lysine. [133]

Réplication et héritage Modifier

Les mitochondries se divisent par fission binaire, semblable aux bactéries. [134] La réglementation de cette division diffère entre les eucaryotes. Chez de nombreux eucaryotes unicellulaires, leur croissance et leur division sont liées au cycle cellulaire. Par exemple, une seule mitochondrie peut se diviser de manière synchrone avec le noyau. Ce processus de division et de ségrégation doit être étroitement contrôlé afin que chaque cellule fille reçoive au moins une mitochondrie. Chez d'autres eucaryotes (chez les mammifères par exemple), les mitochondries peuvent répliquer leur ADN et se diviser principalement en réponse aux besoins énergétiques de la cellule, plutôt qu'en phase avec le cycle cellulaire. Lorsque les besoins énergétiques d'une cellule sont élevés, les mitochondries se développent et se divisent. Lorsque la consommation d'énergie est faible, les mitochondries sont détruites ou deviennent inactives. Dans de tels exemples, les mitochondries sont apparemment distribuées de manière aléatoire aux cellules filles pendant la division du cytoplasme. La dynamique mitochondriale, l'équilibre entre la fusion mitochondriale et la fission, est un facteur important dans les pathologies associées à plusieurs maladies. [135]

L'hypothèse de la fission binaire mitochondriale s'est appuyée sur la visualisation par microscopie à fluorescence et microscopie électronique à transmission conventionnelle (MET). La résolution de la microscopie à fluorescence (

200 nm) est insuffisant pour distinguer des détails structurels, comme une double membrane mitochondriale dans la division mitochondriale ou même pour distinguer des mitochondries individuelles lorsque plusieurs sont proches les unes des autres. La TEM conventionnelle a également quelques limitations techniques [ lequel? ] pour vérifier la division mitochondriale. La tomographie cryoélectronique a récemment été utilisée pour visualiser la division mitochondriale dans des cellules intactes hydratées congelées. Il a révélé que les mitochondries se divisent par bourgeonnement. [136]

Les gènes mitochondriaux d'un individu ne sont hérités que de la mère, à de rares exceptions près. [137] Chez l'homme, lorsqu'un ovule est fécondé par un spermatozoïde, les mitochondries, et donc l'ADN mitochondrial, proviennent généralement de l'ovule uniquement. Les mitochondries du spermatozoïde pénètrent dans l'ovule, mais ne contribuent pas à l'information génétique de l'embryon. [138] Au lieu de cela, les mitochondries paternelles sont marquées avec de l'ubiquitine pour les sélectionner pour une destruction ultérieure à l'intérieur de l'embryon. [139] L'ovule contient relativement peu de mitochondries, mais ces mitochondries se divisent pour peupler les cellules de l'organisme adulte. Ce mode est observé dans la plupart des organismes, y compris la majorité des animaux. Cependant, les mitochondries de certaines espèces peuvent parfois être héritées paternellement. C'est la norme chez certains conifères, mais pas chez les pins et les ifs. [140] Pour Mytilids, l'héritage paternel se produit seulement dans les mâles de l'espèce. [141] [142] [143] Il a été suggéré qu'il se produit à un niveau très bas chez les humains. [144]

L'hérédité uniparentale conduit à peu de possibilités de recombinaison génétique entre différentes lignées de mitochondries, bien qu'une seule mitochondrie puisse contenir 2 à 10 copies de son ADN. [118] La recombinaison qui a lieu maintient l'intégrité génétique plutôt que la diversité. Cependant, il existe des études montrant des preuves de recombinaison dans l'ADN mitochondrial. Il est clair que les enzymes nécessaires à la recombinaison sont présentes dans les cellules de mammifères. [145] De plus, des preuves suggèrent que les mitochondries animales peuvent subir une recombinaison. [146] Les données sont plus controversées chez l'homme, bien qu'il existe des preuves indirectes de recombinaison. [147] [148]

On peut s'attendre à ce que les entités subissant un héritage uniparental et avec peu ou pas de recombinaison soient soumises au cliquet de Muller, l'accumulation de mutations délétères jusqu'à ce que la fonctionnalité soit perdue. Les populations animales de mitochondries évitent cette accumulation grâce à un processus de développement connu sous le nom de goulot d'étranglement de l'ADNmt. Le goulot d'étranglement exploite les processus stochastiques dans la cellule pour augmenter la variabilité de cellule à cellule de la charge mutante à mesure qu'un organisme se développe : un seul ovule avec une certaine proportion d'ADNmt mutant produit ainsi un embryon où différentes cellules ont différentes charges mutantes. La sélection au niveau cellulaire peut alors agir pour éliminer les cellules avec plus d'ADNmt mutant, conduisant à une stabilisation ou à une réduction de la charge mutante entre les générations. Le mécanisme sous-jacent au goulot d'étranglement est débattu, [149] [150] [151] avec une méta-étude mathématique et expérimentale récente fournissant des preuves d'une combinaison de partitionnement aléatoire des ADNmt au niveau des divisions cellulaires et du renouvellement aléatoire des molécules d'ADNmt dans la cellule. [152]

Réparation de l'ADN Modifier

Les mitochondries peuvent réparer les dommages oxydatifs de l'ADN par des mécanismes analogues à ceux qui se produisent dans le noyau cellulaire. Les protéines utilisées dans la réparation de l'ADNmt sont codées par des gènes nucléaires et sont transloquées vers les mitochondries. Les voies de réparation de l'ADN dans les mitochondries de mammifères comprennent la réparation par excision de base, la réparation de cassure double brin, l'inversion directe et la réparation des mésappariements. [153] [154] Aussi des dommages d'ADN peuvent être contournés, plutôt que réparés, par la synthèse de translésion.

Parmi les nombreux processus de réparation de l'ADN dans les mitochondries, la voie de réparation par excision de base a été la plus étudiée. [154] La réparation par excision de base est effectuée par une séquence d'étapes catalysées enzymatiques qui incluent la reconnaissance et l'excision d'une base d'ADN endommagée, l'élimination du site abasique résultant, le traitement final, le remplissage des lacunes et la ligature. Un dommage courant dans l'ADNmt qui est réparé par réparation par excision de base est la 8-oxoguanine produite par l'oxydation de la guanine. [155]

Les cassures double brin peuvent être réparées par une réparation par recombinaison homologue dans l'ADNmt de mammifère [156] et l'ADNmt de plante. [157] Les cassures double brin dans l'ADNmt peuvent également être réparées par une jonction d'extrémité médiée par la microhomologie. [158] Bien qu'il existe des preuves des processus de réparation de l'inversion directe et de la réparation des mésappariements dans l'ADNmt, ces processus ne sont pas bien caractérisés. [154]

Manque d'ADN mitochondrial Modifier

Certains organismes ont complètement perdu leur ADN mitochondrial. Dans ces cas, des gènes codés par l'ADN mitochondrial ont été perdus ou transférés au noyau. [117] Cryptosporidium, ont des mitochondries dépourvues d'ADN, probablement parce que tous leurs gènes ont été perdus ou transférés. [159] Dans Cryptosporidium, les mitochondries ont un système de génération d'ATP altéré qui rend le parasite résistant à de nombreux inhibiteurs mitochondriaux classiques tels que le cyanure, l'azide et l'atovaquone. [159] Des mitochondries dépourvues de leur propre ADN ont été trouvées dans un dinoflagellé parasite marin du genre Amibophyre. Ce micro-organisme, A. cerati, possède des mitochondries fonctionnelles dépourvues de génome. [160] Chez les espèces apparentées, le génome mitochondrial possède encore trois gènes, mais dans A. cerati un seul gène mitochondrial - le gène de la cytochrome c oxydase I (cox1) — est trouvé, et il a migré vers le génome du noyau. [161]

La quasi-absence de recombinaison génétique dans l'ADN mitochondrial en fait une source d'information utile pour l'étude de la génétique des populations et de la biologie évolutive. [162] Parce que tout l'ADN mitochondrial est hérité comme une seule unité, ou haplotype, les relations entre l'ADN mitochondrial de différents individus peuvent être représentées comme un arbre génétique. Les modèles de ces arbres génétiques peuvent être utilisés pour déduire l'histoire évolutive des populations. L'exemple classique en est la génétique évolutive humaine, où l'horloge moléculaire peut être utilisée pour fournir une date récente pour Eve mitochondriale. [163] [164] Ceci est souvent interprété comme un fort soutien à une récente expansion humaine moderne hors d'Afrique. [165] Un autre exemple humain est le séquençage de l'ADN mitochondrial à partir d'os de Néandertal. La distance évolutive relativement grande entre les séquences d'ADN mitochondrial des Néandertaliens et des humains vivants a été interprétée comme une preuve du manque de métissage entre les Néandertaliens et les humains modernes. [166]

Cependant, l'ADN mitochondrial ne reflète que l'histoire des femelles d'une population. Ceci peut être partiellement surmonté par l'utilisation de séquences génétiques paternelles, telles que la région de non-recombinaison du chromosome Y. [165]

Des mesures récentes de l'horloge moléculaire pour l'ADN mitochondrial [167] ont rapporté une valeur de 1 mutation tous les 7884 ans remontant à l'ancêtre commun le plus récent des humains et des singes, ce qui est cohérent avec les estimations des taux de mutation de l'ADN autosomique (10 -8 par base par génération). [168]

Maladies mitochondriales Modifier

Les dommages et le dysfonctionnement ultérieur des mitochondries sont un facteur important dans une gamme de maladies humaines en raison de leur influence sur le métabolisme cellulaire. Les troubles mitochondriaux se présentent souvent comme des troubles neurologiques, y compris l'autisme. [15] Ils peuvent également se manifester par une myopathie, un diabète, une endocrinopathie multiple et divers autres troubles systémiques. [169] Les maladies causées par une mutation dans l'ADNmt comprennent le syndrome de Kearns-Sayre, le syndrome MELAS et la neuropathie optique héréditaire de Leber. [170] Dans la grande majorité des cas, ces maladies sont transmises par une femme à ses enfants, car le zygote tire ses mitochondries et donc son ADNmt de l'ovule. On pense que des maladies telles que le syndrome de Kearns-Sayre, le syndrome de Pearson et l'ophtalmoplégie externe progressive sont dues à des réarrangements à grande échelle de l'ADNmt, tandis que d'autres maladies telles que le syndrome MELAS, la neuropathie optique héréditaire de Leber, le syndrome MERRF et d'autres sont dues à des mutations ponctuelles. dans l'ADNmt. [169]

Dans d'autres maladies, des défauts dans les gènes nucléaires conduisent à un dysfonctionnement des protéines mitochondriales. C'est le cas dans l'ataxie de Friedreich, la paraplégie spastique héréditaire et la maladie de Wilson. [171] Ces maladies sont héritées dans une relation de dominance, comme cela s'applique à la plupart des autres maladies génétiques. Divers troubles peuvent être causés par des mutations nucléaires des enzymes de phosphorylation oxydative, telles que le déficit en coenzyme Q10 et le syndrome de Barth. [169] Les influences environnementales peuvent interagir avec les prédispositions héréditaires et provoquer une maladie mitochondriale. Par exemple, il peut y avoir un lien entre l'exposition aux pesticides et l'apparition plus tardive de la maladie de Parkinson. [172] [173] D'autres pathologies dont l'étiologie implique un dysfonctionnement mitochondrial comprennent la schizophrénie, le trouble bipolaire, la démence, la maladie d'Alzheimer, [174] [175] la maladie de Parkinson, l'épilepsie, les accidents vasculaires cérébraux, les maladies cardiovasculaires, le syndrome de fatigue chronique, la rétinite pigmentaire et le diabète sucré . [176] [177]

Le stress oxydatif médié par les mitochondries joue un rôle dans la cardiomyopathie chez les diabétiques de type 2. L'augmentation de l'apport d'acides gras au cœur augmente l'absorption d'acides gras par les cardiomyocytes, entraînant une augmentation de l'oxydation des acides gras dans ces cellules. Ce processus augmente les équivalents réducteurs disponibles pour la chaîne de transport d'électrons des mitochondries, augmentant finalement la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). Les ROS augmentent les protéines de découplage (UCP) et potentialisent la fuite de protons à travers le translocateur de nucléotides adénine (ANT), dont la combinaison découple les mitochondries. Le découplage augmente alors la consommation d'oxygène par les mitochondries, aggravant l'augmentation de l'oxydation des acides gras. Cela crée un cercle vicieux de découplage de plus, même si la consommation d'oxygène augmente, la synthèse d'ATP n'augmente pas proportionnellement car les mitochondries sont découplées. Une disponibilité moindre de l'ATP aboutit finalement à un déficit énergétique se traduisant par une efficacité cardiaque réduite et un dysfonctionnement contractile. Pour aggraver le problème, une altération de la libération de calcium du réticulum sarcoplasmique et une réduction de la recapture mitochondriale limitent les niveaux cytosoliques de pointe de l'ion de signalisation important pendant la contraction musculaire. La diminution de la concentration de calcium intra-mitochondrial augmente l'activation de la déshydrogénase et la synthèse d'ATP. Ainsi, en plus de la réduction de la synthèse d'ATP due à l'oxydation des acides gras, la synthèse d'ATP est également altérée par une mauvaise signalisation du calcium, ce qui provoque des problèmes cardiaques chez les diabétiques. [178]

Relations avec le vieillissement Modifier

Il peut y avoir une fuite des électrons de haute énergie dans la chaîne respiratoire pour former des espèces réactives de l'oxygène. On pensait que cela entraînait un stress oxydatif important dans les mitochondries avec des taux de mutation élevés de l'ADN mitochondrial. [179] Les liens hypothétiques entre le vieillissement et le stress oxydatif ne sont pas nouveaux et ont été proposés en 1956, [180] qui ont ensuite été affinés dans la théorie des radicaux libres mitochondriaux du vieillissement. [181] On pensait qu'un cercle vicieux se produisait, car le stress oxydatif conduit à des mutations de l'ADN mitochondrial, ce qui peut entraîner des anomalies enzymatiques et un stress oxydatif supplémentaire.

Un certain nombre de changements peuvent se produire dans les mitochondries au cours du processus de vieillissement. [182] Les tissus d'humains âgés montrent une diminution de l'activité enzymatique des protéines de la chaîne respiratoire. [183] ​​Cependant, l'ADNmt muté ne peut être trouvé que dans environ 0,2% des cellules très anciennes. [184] De grandes délétions dans le génome mitochondrial ont été supposées conduire à des niveaux élevés de stress oxydatif et de mort neuronale dans la maladie de Parkinson. [185] Il a également été démontré que le dysfonctionnement mitochondrial survenait dans la sclérose latérale amyotrophique. [186] [187]

Étant donné que les mitochondries jouent un rôle central dans la fonction ovarienne, en fournissant l'ATP nécessaire au développement de la vésicule germinale à l'ovocyte mature, une fonction mitochondriale diminuée peut entraîner une inflammation, entraînant une insuffisance ovarienne prématurée et un vieillissement ovarien accéléré. Le dysfonctionnement causé se reflète alors à la fois dans les dommages quantitatifs (tels que le nombre de copies d'ADNmt et les suppressions d'ADNmt), qualitatifs (tels que les mutations et les ruptures de brins) et oxydatifs (tels que les mitochondries dysfonctionnelles dues aux ROS), qui ne sont pas seulement pertinents dans le vieillissement ovarien. , mais perturbent la diaphonie ovocyte-cumulus dans l'ovaire, sont liés à des troubles génétiques (comme l'X fragile) et peuvent interférer avec la sélection des embryons. [188]

Les premières observations de structures intracellulaires qui représentaient probablement des mitochondries ont été publiées dans les années 1840. [189] Richard Altmann, en 1890, les a établis comme des organites cellulaires et les a appelés "bioblastes". [189] [190] En 1898, Carl Benda a inventé le terme « mitochondrie » du grec μίτος , mitos, "fil", et , chondrie, "granulés". [191] [189] [192] Leonor Michaelis a découvert que le vert Janus peut être utilisé comme colorant supravital pour les mitochondries en 1900.En 1904, Friedrich Meves, a fait la première observation enregistrée de mitochondries chez les plantes dans les cellules du nénuphar blanc, Nymphée alba [189] [193] et en 1908, avec Claudius Regaud, ont suggéré qu'ils contiennent des protéines et des lipides. Benjamin F. Kingsbury, en 1912, les a d'abord liés à la respiration cellulaire, mais presque exclusivement sur la base d'observations morphologiques. [189] En 1913, des particules d'extraits de foie de cobaye ont été liées à la respiration par Otto Heinrich Warburg, qu'il a appelé « grana ». Warburg et Heinrich Otto Wieland, qui avaient également postulé un mécanisme de particules similaire, étaient en désaccord sur la nature chimique de la respiration. Ce n'est qu'en 1925, lorsque David Keilin découvre les cytochromes, que la chaîne respiratoire est décrite. [189]

En 1939, des expériences utilisant des cellules musculaires hachées ont démontré que la respiration cellulaire utilisant un atome d'oxygène peut former deux molécules d'adénosine triphosphate (ATP), et en 1941, le concept des liaisons phosphate de l'ATP étant une forme d'énergie dans le métabolisme cellulaire a été développé par Fritz Albert Lipmann. Au cours des années suivantes, le mécanisme de la respiration cellulaire a été approfondi, bien que son lien avec les mitochondries ne soit pas connu. [189] L'introduction du fractionnement tissulaire par Albert Claude a permis d'isoler les mitochondries des autres fractions cellulaires et d'effectuer des analyses biochimiques sur elles seules. En 1946, il conclut que la cytochrome oxydase et d'autres enzymes responsables de la chaîne respiratoire étaient isolées des mitochondries. Eugene Kennedy et Albert Lehninger ont découvert en 1948 que les mitochondries sont le site de la phosphorylation oxydative chez les eucaryotes. Au fil du temps, la méthode de fractionnement a été perfectionnée, améliorant la qualité des mitochondries isolées, et d'autres éléments de la respiration cellulaire ont été déterminés comme se produisant dans les mitochondries. [189]

Les premières micrographies électroniques à haute résolution sont apparues en 1952, remplaçant les colorations au vert de Janus comme moyen privilégié pour visualiser les mitochondries. [189] Cela a conduit à une analyse plus détaillée de la structure des mitochondries, y compris la confirmation qu'elles étaient entourées d'une membrane. Il a également montré une deuxième membrane à l'intérieur des mitochondries qui se repliait en crêtes divisant la chambre interne et que la taille et la forme des mitochondries variaient d'une cellule à l'autre.

Le terme populaire « centrale de la cellule » a été inventé par Philip Siekevitz en 1957. [3]

En 1967, on a découvert que les mitochondries contenaient des ribosomes. [194] En 1968, des méthodes ont été développées pour cartographier les gènes mitochondriaux, avec la carte génétique et physique de l'ADN mitochondrial de levure achevée en 1976. [189]


Les différences d'efficacité mitochondriale expliquent la variation individuelle des performances de croissance

Les causes physiologiques des différences intraspécifiques dans les composants de fitness tels que le taux de croissance sont actuellement une source de débat. Il a été suggéré que les différences dans le métabolisme énergétique peuvent entraîner une variation de la croissance, mais il reste difficile de savoir si la covariation entre les taux de croissance et le métabolisme énergétique est : (ii) déterminé par la variation de l'efficacité avec laquelle ces ressources sont transformées en croissance. Des études sur des animaux hébergés individuellement dans des conditions nutritionnelles standardisées peuvent aider à éclairer ce débat. Ici, nous quantifions la variation individuelle de l'efficacité métabolique en termes de quantité d'adénosine triphosphate (ATP) générée par molécule d'oxygène consommée par les mitochondries hépatiques et musculaires et examinons ses effets, à la fois sur le taux de synthèse des protéines dans ces tissus et sur le taux de croissance du corps entier de juvéniles de truite fario nourris individuellement (Salmo trutta) recevant une ration alimentaire élevée ou faible. Comme prévu, les poissons de la ration élevée ont en moyenne gagné plus en masse corporelle et en teneur en protéines que ceux maintenus avec la ration faible. Pourtant, les performances de croissance variaient de plus de 10 fois entre les individus sur la même ration, ce qui a entraîné une croissance plus rapide de certains poissons avec des rations faibles que d'autres avec une ration élevée. Cette variation de croissance pour une ration donnée était liée à des différences individuelles dans les propriétés mitochondriales : une performance de croissance élevée du corps entier était associée à une efficacité mitochondriale élevée de la production d'ATP dans le foie. Nos résultats montrent pour la première fois, à notre connaissance, que la variation interindividuelle de l'efficacité avec laquelle les substrats sont convertis en ATP peut aider à expliquer une variation marquée des performances de croissance, indépendamment de la prise alimentaire. Cette étude met en évidence l'existence de différences interindividuelles dans l'efficacité mitochondriale et son importance potentielle pour expliquer la variation intraspécifique de la performance de l'animal entier.

1. Introduction

Les animaux individuels peuvent croître à des rythmes très différents même s'ils vivent dans les mêmes conditions, une découverte qui a été documentée dans un large éventail de taxons (examiné dans [1,2]). Ce phénomène est souvent interprété en termes de variation de la qualité individuelle. Par exemple, les individus qui grandissent plus vite atteignent généralement la maturité plus rapidement et peuvent avoir une fécondité plus élevée que les individus à croissance plus lente, suggérant des conséquences directes sur la fitness du taux de croissance [3,4]. Cependant, les processus physiologiques qui sous-tendent cette variation interindividuelle du taux de croissance sont actuellement mal compris.

Une croissance plus rapide peut évidemment être obtenue en augmentant la prise alimentaire. Les individus ayant un taux élevé d'apport alimentaire se développent plus rapidement que les individus ayant un taux d'apport de ressources inférieur, car des quantités élevées d'apport alimentaire peuvent entraîner une augmentation du taux d'allocation des ressources à des processus énergétiquement coûteux, tels que la production de biomasse et, à son tour , croissance. Cependant, la variation du taux de croissance peut persister même lorsque l'apport alimentaire est standardisé. Par exemple, des poissons individuels nourris jusqu'à satiété et consommant une quantité similaire de nourriture présentaient des différences triples dans les performances de croissance [5]. De même, des différences quintuples dans le taux de croissance ont été mises en évidence chez des poissons consommant une quantité identique de nourriture [6]. Cela suggère que la variation de la croissance peut être, au moins en partie, attribuée à la variation de l'efficacité de l'utilisation des ressources et de son affectation à la production de biomasse. Pourtant, étonnamment peu de recherches ont étudié les mécanismes possibles qui pourraient sous-tendre cette variation de l'efficacité métabolique et donc des performances de croissance [7].

On pense que la variation de l'efficacité avec laquelle la nourriture est convertie en énergie joue un rôle important dans l'association entre la prise alimentaire et la croissance animale [7-9]. L'énergie dérivée des nutriments ne devient utilisable pour les processus cellulaires qu'après la transformation en molécules à haute énergie de l'adénosine triphosphate (ATP). L'ATP est la principale source d'énergie pour la plupart des fonctions cellulaires, telles que la synthèse d'ADN, d'ARN et de protéines (et donc la production de biomasse). Les principaux sites de conversion d'énergie sont les mitochondries, qui fournissent plus de 90 % de l'ATP d'une cellule [10]. L'ATP mitochondrial est produit par phosphorylation oxydative, un processus par lequel les substrats énergétiques sont oxydés pour générer un gradient de protons qui entraîne la phosphorylation de l'ADP en ATP. Bien que la production d'ATP dépende du taux d'oxydation du substrat, le nombre de molécules d'ATP produites pour chaque molécule d'oxygène et de substrat énergétique (c'est-à-dire pyruvate, glutamate, acétyl-CoA, etc.) consommée par les mitochondries peut varier [11]. Une partie de l'énergie générée par l'oxydation du substrat est dissipée par une fuite de protons à travers la membrane mitochondriale interne et cette fuite pourrait diminuer l'énergie disponible pour produire de l'ATP [12]. La quantité d'énergie dissipée dans la fuite de protons mitochondriaux varie selon les individus [13,14] et cette variation est connue pour être en corrélation avec la performance animale [15,16]. Cela soulève la possibilité que la variation de la croissance entre les individus puisse impliquer des différences dans l'efficacité avec laquelle les mitochondries produisent de l'ATP.

L'efficacité mitochondriale peut être quantifiée par la mesure du rapport ATP/O qui est le rapport de la quantité d'ATP générée par unité d'oxygène consommée [17]. Ainsi, plus ce rapport est élevé, plus un animal convertit efficacement ses substrats métaboliques en ATP, l'ATP étant alors disponible pour les processus cellulaires énergivores tels que la synthèse des protéines et la production de biomasse [18]. Un certain nombre d'études ont trouvé des liens positifs entre le taux de croissance moyen et l'efficacité mitochondriale moyenne lors de la comparaison entre les groupes de traitement, les populations ou les lignées de sélection [9,19-23], mais jusqu'à présent, à notre connaissance, il n'y a pas eu d'évaluation pour savoir si les mitochondries l'efficacité pourrait expliquer la variation du taux de croissance entre les animaux individuels maintenus avec la même ration alimentaire.

Dans cette étude, nous avons testé, pour la première fois à notre connaissance, si la variation individuelle des performances de croissance - mesurée à la fois comme le taux de gain de masse du corps entier et comme le taux de synthèse des protéines - était liée à la variation interindividuelle de efficacité mitochondriale. Pour tester cette hypothèse, nous avons évalué les relations entre le rapport ATP/O, le taux fractionnaire de synthèse protéique et les performances de croissance (taux de croissance, efficacité de croissance et gain protéique) chez des truites fario individuellement logées (Salmo trutta) du même âge et maintenus dans des conditions standardisées. Afin de standardiser leur apport alimentaire, les poissons ont été nourris avec des rations individuelles limitées pour s'assurer que les différences de performance de croissance pouvaient être attribuées aux différences d'efficacité mitochondriale. Nous avons choisi la truite brune juvénile comme organisme d'étude parce que la plus grande taille corporelle chez la truite brune est un déterminant majeur de la condition physique, avec une croissance rapide entraînant une survie accrue [24] et une plus grande taille corporelle étant liée à une fécondité plus élevée [25]. Nous avons analysé les propriétés mitochondriales et la synthèse des protéines dans le foie et le muscle blanc car les propriétés physiologiques de ces tissus sont connues pour influencer les performances de croissance [16,26]. Nous avons prédit des corrélations interindividuelles positives entre l'efficacité mitochondriale, la synthèse des protéines et les performances de croissance.

2. Matériel et méthodes

(a) Animaux d'expérimentation

Les alevins de truite fario ont été déplacés de l'écloserie (Howietoun, Royaume-Uni) à l'Université de Glasgow en juin 2015. Les poissons ont ensuite été conservés dans un bassin commun et maintenus sous une photopériode de 12 L : 12 D à 12°C et nourris quotidiennement en excès. avec de la nourriture en granulés pour truite (EWOS, West Lothian, Royaume-Uni). En septembre 2016, poisson (m = 60) ont été transférés dans des compartiments individuels au sein d'un système de bassins fluviaux qui permettaient une alimentation quotidienne individuelle tout en maintenant les poissons dans les mêmes conditions de qualité de l'eau. Chaque compartiment individuel contenait un petit abri (une section de tuyau en plastique opaque).

Les poissons ont d'abord été acclimatés pendant deux semaines dans leurs compartiments individuels, au cours desquels ils ont été nourris à la main quotidiennement en excès avec les mêmes boulettes de truite. Les poissons ont ensuite été à jeun pendant 22 h et brièvement anesthésiés (50 ml l -1 de benzocaïne dans l'eau) pour mesurer la masse corporelle (± 0,001 g) afin de permettre le calcul de l'apport calorique et donc des rations alimentaires (en nombre de pastilles). Pendant les 5 à 10 semaines suivantes (voir ci-dessous), les poissons ont été nourris une fois par jour avec une ration intermédiaire de granulés (supposée suffisante pour la croissance mais inférieure à un taux d'ingestion maximal) en utilisant une équation d'Elliott [27], ce qui a permis de calculer rations caloriques spécifiques à chaque individu en fonction de la masse corporelle du poisson (W) en grammes et température de l'eau (T) de 12°C comme suit :

Les poissons ont été nourris avec leur ration tôt le matin. Tous les poissons ont consommé la totalité de leur ration quotidienne en 2 h. La masse corporelle a été mesurée toutes les deux semaines et les rations alimentaires ont été recalculées pour tenir compte des gains de masse. Les poissons ont été à jeun pendant 22 heures avant chaque mesure de la masse corporelle et, à leur retour dans leur compartiment, ont été nourris 2 heures plus tard que d'habitude pour leur permettre de récupérer de l'anesthésie et de s'assurer qu'ils mangeaient la ration. Tous les poissons ont consommé la totalité de leur ration quotidienne et ont pris de la masse pendant cette période d'acclimatation.

(b) Traitement alimentaire et mesures de croissance

Après cette période d'acclimatation à un régime intermédiaire, les poissons sont passés au régime final pendant 14 jours. Cette durée a été choisie car elle limitait l'étendue du renouvellement mitochondrial qui se produirait au cours de la période de croissance, mais était suffisante pour détecter des différences de taux de croissance entre les individus [28]. Comme seuls deux individus par jour pouvaient être analysés pour leur fonction mitochondriale à la fin de l'expérience, le début du traitement diététique était échelonné sur une période de cinq semaines (de sorte que la période d'acclimatation précédente variait entre 5 et 10 semaines). Deux poissons par jour (qui seraient ensuite traités ensemble 14 jours plus tard) ont ainsi été aléatoirement répartis entre les traitements : un poisson a vu sa ration augmentée à 150 % de la ration intermédiaire (ration élevée, m = 30) et l'autre a vu sa ration diminuée à 50 % de la ration intermédiaire (ration faible, m = 30). On a estimé que la faible ration fournissait suffisamment d'énergie pour couvrir les besoins d'entretien et une croissance relativement lente [27], tandis que la ration élevée se rapprochait du taux maximal de prise alimentaire des juvéniles de truite fario [27]. La masse corporelle variait de 3,61 à 15,48 g entre les individus au début de l'expérience mais ne différait pas entre les poissons affectés par la suite aux deux traitements alimentaires (ration élevée : 8,15 ± 0,49 g, ration faible : 8,18 ± 0,48 g, t-test: t58 = −0.041, p = 0,967). La masse corporelle a été re-mesurée (comme ci-dessus) au jour 7 du traitement diététique, et les rations ont été recalculées pour s'ajuster à la croissance. Tous les poissons sauf un ont consommé la totalité de leur ration quotidienne dans les 2 h au cours de la période expérimentale, ce poisson a été retiré de toutes les analyses, donnant ainsi une taille d'échantillon finale de 59 poissons (aliment élevé : m = 29 alimentation faible : m = 30).

Le taux de croissance et l'efficacité de croissance ont été estimés simultanément sur une période de 7 jours commençant au jour 7 du traitement expérimental (appelée masse corporelle (BM) initiale du poisson dans l'équation suivante) et se terminant au jour 14 (BM final du poisson). Le taux de croissance spécifique (% jour −1 ) a été défini comme :

La prise alimentaire quotidienne a été calculée à partir de la ration alimentaire quotidienne et a été exprimée en termes de masse de granulés. L'efficacité de croissance (mg de gain de masse corporelle en mg -1 de nourriture consommée) a été mesurée pour chaque poisson comme suit :

À la fin de la période de traitement alimentaire, les taux fractionnaires de synthèse des protéines et les propriétés mitochondriales ont été mesurés chez les poissons selon les protocoles décrits ci-dessous.

(c) Estimation du gain en protéines du corps entier

La relation entre la teneur en protéines du corps entier et la masse corporelle des poissons élevés avec des rations intermédiaires, faibles et élevées a été utilisée pour estimer la teneur en protéines de chaque poisson au début et à la fin du traitement alimentaire et ainsi estimer le gain de teneur en protéines. sur la période de traitement. Plus précisément, nous avons d'abord déterminé la relation entre la masse corporelle d'un poisson et sa teneur en protéines corporelles entières (matériel électronique supplémentaire, figure S1), en utilisant un groupe distinct de truites fario du même âge et de la même taille (voir le matériel électronique supplémentaire pour tous les détails dans la section « teneur en protéines du corps entier »).

La teneur initiale en protéines du corps entier (PA initiale) de chaque poisson expérimental a donc été estimée à partir de sa masse corporelle au début du traitement alimentaire, en utilisant la régression de calibration pour les poissons de la ration intermédiaire. La teneur finale en protéines du corps entier (PA finale) de chaque poisson expérimental a également été estimée à partir de sa masse corporelle à la fin du traitement alimentaire, en utilisant l'équation appropriée pour son traitement alimentaire. Le taux de gain protéique spécifique (% jour -1 ) a ensuite été défini comme :

(d) Mesure du taux fractionnaire de synthèse protéique

Le pourcentage de la masse protéique synthétisée par jour - le taux fractionnaire de synthèse protéique - a été mesuré en utilisant le dosage de la dose d'inondation [29], modifié pour utiliser un traceur isotopique stable, le ring-D5-phénylalanine (D5-Phe) [30]. En bref, les rapports de la quantité de D5-Phe par rapport à la quantité de phénylalanine totale (Phe totale égale à D5-Phe plus sa version naturelle) à la fois dans le pool protéique et dans le pool libre d'acides aminés permettent de calculer le taux fractionnaire de synthèse protéique. L'essai a d'abord été validé pour la truite fario de cet âge et de cette taille en réalisant une expérience préliminaire de la chronologie (matériel électronique supplémentaire). A partir de cette expérience de validation, nous avons déterminé qu'un D5-Phe période d'incubation d'environ 60 min était une durée d'incorporation appropriée.

Pour l'expérience principale, les poissons ont été à jeun pendant 21 h avant d'être injectés dans le péritoine avec le D5-Phe solution. Chaque poisson a ensuite été immédiatement placé dans un bac individuel contenant 2 l d'eau aérée pendant une durée d'environ 1 h (moyenne ± s.e. : 1 h05 min ± 0h00 min) sans nourriture et dans l'obscurité. Les poissons ont ensuite été abattus et leurs foies ont été immédiatement disséqués, pesés et rincés à l'eau distillée. Un sous-échantillon de foie a été pesé et conservé dans un tampon de respirométrie glacé (0,1 mM d'EGTA, 15 µM d'EDTA, 1 mM de MgCl2, taurine 20 mM, KH 10 mM2Bon de commande4, 20 mM HEPES, 110 mM d -saccharose, 60 mM acide lactobionique, 1 g l -1 d'albumine de sérum bovin essentiellement sans acide gras, pH 7,2 avec KOH) pour la mesure ultérieure des propriétés mitochondriales (voir ci-dessous). Une seconde aliquote de foie pour la mesure de la synthèse protéique a été pesée et immédiatement congelée instantanément dans de l'azote liquide et conservée à -70°C jusqu'à une analyse plus poussée. De même, deux échantillons de muscle blanc ont été prélevés dorsalement à la ligne latérale (pour éviter la contamination par des fibres rouges) et juste derrière la nageoire dorsale. Une aliquote a été prélevée d'un côté du poisson et conservée dans un tampon de respirométrie tandis que l'autre aliquote a été prélevée de l'autre côté et immédiatement congelée instantanément. Après extraction et quantification des isotopes de la phénylalanine à la fois dans le pool d'acides aminés libres et dans le pool de protéines (détails dans le matériel électronique supplémentaire), le taux fractionnaire de synthèse des protéines (Ks en % jour −1 ) a été calculé comme suit :

(e) Mesure des propriétés mitochondriales

Étant donné que seuls deux échantillons pouvaient être analysés simultanément pour mesurer les propriétés mitochondriales, les échantillons de foie des deux individus d'un lot de traitement ont d'abord été homogénéisés comme dans [15,16] et évalués pour la fonction mitochondriale, tandis que le sous-échantillon de muscle blanc a été conservé dans un tampon de respirométrie. sur la glace pour la course suivante.

Les signaux de fluorescence de l'oxygène et du vert de magnésium ont été détectés simultanément à l'aide de deux chambres de respirométrie équipées de capteurs fluorescents et enregistrés à l'aide du logiciel D at Lab (Oroboros Instruments, Innsbruck Autriche). L'homogénat de tissu de chaque poisson a été ajouté à l'une des deux chambres de mesure immédiatement après la préparation. L'efficacité mitochondriale a été mesurée comme dans Salin et al. [31]. En bref, nous avons utilisé un protocole pour estimer le rapport ATP/O qui mesure simultanément la consommation d'oxygène et la production d'ATP sur le même échantillon. Cytochrome c La respiration de l'oxydase (COX) a ensuite été mesurée pour permettre la standardisation de la densité mitochondriale des tissus [32]. Le taux de consommation d'oxygène simultanément à la production d'ATP a été évalué en ajoutant de l'ADP saturant à la chambre contenant les substrats complexes I et II. L'activité COX a été mesurée après addition d'ascorbate et N,N,N′,N′-tétraméthyl-p-dichlorhydrate de phénylènediamine. L'essai sur les muscles était identique à l'essai sur le foie, mais un inhibiteur d'adénylate kinase a été ajouté à la chambre de mesure avec le sous-échantillon de muscle qui a été conservé sur de la glace (voir le matériel électronique supplémentaire pour plus de détails sur le protocole).

Les taux de consommation d'oxygène spécifique à la masse et de production d'ATP à chaque étape du protocole ont été calculés en moyenne sur 30 à 60 s de stabilisation. Flux d'O2 et l'ATP ont été exprimés en pmoles s -1 mg -1 poids humide de tissu. Le rapport ATP/O a été calculé comme le rapport de la production d'ATP corrigée au double du taux d'O2 consommation au moment de la production de l'ATP.

(f) Analyse statistique

Nous avons d'abord utilisé une analyse de corrélation pour tester si les paramètres physiologiques (efficacité mitochondriale (rapport ATP/O), densité mitochondriale (activité COX) et taux fractionnaire de synthèse des protéines (Ks)) étaient corrélés entre le foie et le muscle blanc chez le même poisson. Nous avons ensuite utilisé des modèles mixtes linéaires (LMM) pour déterminer les liens entre l'efficacité mitochondriale du foie et/ou du muscle et le taux fractionnaire de synthèse protéique pour différents taux de prise alimentaire. Les modèles comprenaient le Ks du foie ou du muscle comme variable dépendante, le rapport ATP/O du foie et du muscle comme prédicteurs continus, et l'apport alimentaire (élevé ou faible) comme facteur fixe, et les interactions bidirectionnelles entre l'apport alimentaire et les covariables. Pour contrôler les effets de la densité mitochondriale sur le taux fractionnaire de synthèse des protéines, les modèles incluaient l'activité COX du foie et du muscle comme covariable et dans les interactions bidirectionnelles avec la prise alimentaire, avec Ks comme variable dépendante. Le lot de traitement a été inclus comme effet aléatoire pour contrôler l'ordre dans lequel le poisson a été traité. Des analyses préliminaires ont montré que le taux fractionnaire de synthèse des protéines n'était pas affecté par la durée de D5-L'exposition à la Phe ou la masse de l'échantillon utilisé pour l'extraction des isotopes de la phénylalanine, de sorte que la durée d'exposition et la masse de l'échantillon n'ont pas été incluses comme covariables dans les modèles finaux. Nous avons finalement testé si le degré d'efficacité mitochondriale et le taux fractionnaire de synthèse protéique du foie et/ou du muscle expliquaient la variation individuelle des performances de croissance en utilisant une approche de modèle mixte linéaire. Les modèles comprenaient les performances de croissance (taux de croissance spécifique, efficacité de croissance et gain de protéines spécifiques) en tant que variables dépendantes, et le rapport ATP/O et Ks du foie et des muscles en tant que prédicteurs continus, la prise alimentaire en tant que facteur fixe, avec le lot de transformation en tant que facteur facteur aléatoire. Pour contrôler les effets de la densité mitochondriale sur les performances de croissance, l'activité COX du foie ou du muscle a été incluse comme covariable dans les modèles avec un taux de croissance spécifique, une efficacité de croissance et un gain de protéines spécifiques comme variable dépendante. Ces modèles incluaient également des interactions bidirectionnelles entre les covariables et le régime alimentaire. Pour contrôler les effets de la taille corporelle initiale sur les performances de croissance, la masse corporelle initiale a été incluse en tant que covariable dans les modèles avec un taux de croissance spécifique ou une efficacité de croissance en tant que variable dépendante, tandis que l'estimation initiale de la teneur en protéines du corps entier a été incluse en tant que covariable. dans le modèle pour le gain de protéines spécifiques. Tous les modèles ont été simplifiés en supprimant les termes non significatifs dans une procédure de suppression en amont, en commençant par les interactions bidirectionnelles, la signification a été testée lorsque les termes ont été supprimés du modèle. Toutes les analyses statistiques ont été effectuées dans IBM SPSS Statistics 21 (Chicago, IL). Les données sont présentées sous forme de moyennes ± s.e., et le niveau de signification a été fixé à p < 0.05.

3. Résultats

L'efficacité mitochondriale (rapport ATP/O) a montré une variation interindividuelle significative, variant au moins du simple au double pour chaque tissu chez les individus ayant le même apport alimentaire (matériel électronique supplémentaire, tableau S1). Le taux fractionnaire de synthèse protéique Ks différait jusqu'à deux ou cinq fois dans le foie et le muscle, respectivement, chez les individus ayant la même ration alimentaire (matériel électronique supplémentaire, tableau S1). Il n'y avait pas de corrélation entre les traits physiologiques (rapport ATP/O et Ks) du foie et du muscle d'un même poisson (matériel électronique supplémentaire, tableau S2).

Le taux fractionnaire de synthèse des protéines musculaires Ks chez un poisson dépendait du rapport ATP/O de ses mitochondries hépatiques, bien que cet effet dépende de la prise alimentaire (interaction ATP/O hépatique par prise alimentaire, tableau 1). Alors que le muscle Ks était positivement lié au rapport ATP/O dans les mitochondries hépatiques des poissons avec la ration alimentaire élevée (t36 = 2.80, p = 0,008), il n'y avait pas de relation de ce type chez les poissons recevant une faible ration alimentaire (t36 = −0.92, p = 0,362 chiffre 1). La variation interindividuelle du taux fractionnaire de synthèse protéique Ks dans le foie n'a pas été expliquée par l'efficacité mitochondriale dans le foie ou le muscle (LMM, p > 0,05).

Figure 1. Relation entre le taux fractionnaire de synthèse protéique (Ks) dans le muscle et l'efficacité mitochondriale (rapport ATP/O) dans le foie de juvéniles de truite fario à faible ou à forte consommation alimentaire. Les lignes continues montrent un effet significatif. m = 28-30 poissons par niveau de nourriture. Voir le tableau 1 pour les analyses statistiques.

Tableau 1. Résultats de l'analyse par modèle mixte linéaire du taux fractionnaire de synthèse protéique (Ks) dans le muscle d'une truite fario en fonction de sa prise alimentaire et des propriétés (rapport ATP/O et cytochrome c oxydase, activité COX) des mitochondries dans ses muscles et son foie. (Le lot de traitement a été inclus en tant qu'effet aléatoire pour contrôler l'ordre dans lequel le poisson a été traité. Les termes non significatifs ont été exclus de l'analyse finale. Les caractères gras indiquent des résultats significatifs.)

a Apport alimentaire : facteur fixe à deux niveaux (apport alimentaire faible et élevé).

b Modèle complet : muscle Ks = apport alimentaire + activité COX du foie + activité COX musculaire + rapport ATP/O du foie + rapport ATP/O du muscle + apport alimentaire × rapport ATP/O du foie + apport alimentaire × activité COX du foie + apport alimentaire × muscle Activité COX + apport alimentaire × ratio ATP/O musculaire.

Sans surprise, la prise alimentaire a eu un effet positif sur les taux de croissance spécifiques, les poissons ayant en moyenne un taux de croissance spécifique trois fois plus élevé dans la ration élevée que dans la ration faible (matériel électronique supplémentaire, tableau S1). Cependant, les individus du même traitement alimentaire variaient considérablement dans leur taux de croissance spécifique, les poissons à croissance la plus rapide dans la ration faible dépassant la croissance de certains poissons sur la ration élevée (figure 2une apport alimentaire faible : -6,00 à 110,57 mg jour -1 apport alimentaire élevé : 68,86 à 394,43 mg jour -1 ). Cette variation individuelle du taux de croissance s'explique en partie par des différences d'efficacité mitochondriale hépatique, bien que l'effet dépende de la prise alimentaire (ATP/O hépatique par interaction traitement alimentaire tableau 2). Le taux de croissance spécifique des poissons recevant des rations élevées était fortement et positivement lié au rapport ATP/O dans leurs mitochondries hépatiques (t41 = 4.46, p < 0,001 chiffre 2une), alors que la tendance n'était pas significative lorsque la prise alimentaire était faible (t41 = 0.33, p = 0,745). Indépendamment de l'apport alimentaire, le taux de croissance spécifique d'un poisson était fortement mais négativement lié au Ks dans son muscle après contrôle de l'ATP/O du foie (tableau 2). Les taux de croissance spécifiques sous l'une ou l'autre des rations n'étaient pas liés au rapport ATP/O dans les mitochondries musculaires ou au K dans le foie (tableau 2).

Figure 2. Relations entre les indices de performance de croissance et l'efficacité mitochondriale (rapport ATP/O) chez les juvéniles de truite fario à des niveaux de nourriture faibles et élevés. (une) Taux de croissance spécifique par rapport au rapport ATP/O du foie, et (b) efficacité de croissance par rapport au rapport ATP/O du foie. Les lignes continues montrent des effets significatifs. m = 29-30 poissons par niveau de nourriture. Voir le tableau 2 pour les analyses statistiques. (une) Le tracé représente les résidus partiels du taux de croissance spécifique pour les poissons à ration alimentaire élevée évalués à une masse corporelle initiale moyenne = 9,59 g. (b) Le tracé représente les résidus partiels de l'efficacité de croissance évalués à une masse corporelle initiale moyenne = 9,02 mg.

Tableau 2. Résultats des analyses de modèles linéaires mixtes des indices de performance de croissance des truites fario individuelles en fonction de leur masse initiale, de leur densité mitochondriale hépatique et musculaire (activité COX), de la prise alimentaire, de l'efficacité mitochondriale hépatique et musculaire (rapport ATP/O ) et les taux fractionnaires de synthèse protéique (Ks). (Le lot de traitement a été inclus en tant qu'effet aléatoire pour contrôler l'ordre dans lequel le poisson a été traité. Les termes non significatifs ont été exclus de l'analyse finale. Les caractères gras indiquent des résultats significatifs.)

a Apport alimentaire : facteur fixe à deux niveaux (apport alimentaire faible et élevé).

b Modèle complet : taux de croissance spécifique = activité COX hépatique + activité COX musculaire + masse corporelle initiale + apport alimentaire + rapport ATP/O foie + rapport ATP/O musculaire + Ks foie + Ks muscle + apport alimentaire × activité COX foie + apport alimentaire × activité COX musculaire + apport alimentaire × masse corporelle initiale + apport alimentaire × rapport ATP/O hépatique + apport alimentaire × rapport ATP/O musculaire + apport alimentaire × Ks foie + apport alimentaire × Ks musculaire.

c Modèle complet : efficacité de croissance = activité COX du foie + activité COX musculaire + masse corporelle initiale + apport alimentaire + rapport ATP/O du foie + rapport ATP/O du muscle + Ks du foie + Ks du muscle + apport alimentaire × activité COX du foie + apport alimentaire × activité COX musculaire + apport alimentaire × masse corporelle initiale + apport alimentaire × rapport ATP/O du foie + apport alimentaire × rapport ATP/O musculaire + apport alimentaire × Ks du foie + apport alimentaire × Ks musculaire.

d Modèle complet : gain protéique spécifique = activité COX foie + activité COX musculaire + masse protéique initiale + apport alimentaire + rapport ATP/O foie + rapport ATP/O musculaire + Ks foie + Ks muscle + apport alimentaire × activité COX foie + apport alimentaire × activité COX musculaire + apport alimentaire × masse protéique initiale + apport alimentaire × rapport ATP/O hépatique + apport alimentaire × rapport ATP/O musculaire + apport alimentaire × Ks foie + apport alimentaire × Ks musculaire.

L'efficacité de croissance variait entre les individus de −0,13 à 2,23 gain de masse corporelle par masse de nourriture ingérée mais ne différait pas entre les poissons à faible et à forte consommation (matériel électronique supplémentaire, tableau S1). Indépendamment de leur apport alimentaire, les individus qui avaient le rapport ATP/O le plus élevé dans le foie avaient l'efficacité de croissance la plus élevée (tableau 2, figure 2b).

Le taux de gain protéique de la truite différait également considérablement d'un individu à l'autre, allant de -1,98 à 17,74 mg jour -1 pour les poissons consommant la ration faible et de -0,21 à 60,79 mg jour -1 pour les poissons consommant la ration élevée. Les individus qui avaient un rapport ATP/O plus élevé dans leurs mitochondries hépatiques et un Ks plus faible dans leur muscle avaient un gain spécifique plus rapide de la masse protéique (tableau 2). Le taux spécifique de gain protéique n'était pas lié au rapport ATP/O dans les mitochondries musculaires ni au Ks dans le foie (tableau 2).

4. Discussion

Alors que la tendance générale était à l'augmentation des performances de croissance lorsque l'apport alimentaire était plus élevé, les individus présentaient des performances de croissance nettement différentes même avec un apport alimentaire identique. Cette variation de croissance était liée à la fonction mitochondriale : les individus qui étaient plus efficaces pour produire de l'ATP dans leurs mitochondries hépatiques ont grandi plus rapidement, plus efficacement et ont accumulé plus de protéines que les individus avec des mitochondries moins efficaces. Les individus qui avaient une efficacité mitochondriale hépatique plus élevée sous des niveaux élevés de nourriture avaient un taux de synthèse des protéines plus rapide dans leur muscle. Cependant, ces différences dans la synthèse des protéines ont eu un effet sur les performances de croissance dans la direction complètement opposée à notre prédiction initiale selon laquelle «la synthèse des protéines favorise la croissance». En résumé, notre étude montre pour la première fois, à notre connaissance, que dans des conditions de prise alimentaire fixe, l'efficacité mitochondriale d'un animal individuel peut déterminer s'il grandit vite ou lentement.

La variation individuelle des performances de croissance est probablement une caractéristique intégrative complexe influencée par plusieurs traits physiologiques et comportementaux. Étant donné que les différences individuelles de taux de croissance varient avec des comportements qui augmentent les taux d'alimentation [33], seules les études d'animaux avec des apports alimentaires contrôlés peuvent faire la lumière sur les facteurs physiologiques des différences de croissance. La prise alimentaire dans notre expérience était standardisée, révélant que la croissance des poissons sous la même ration pouvait varier de plus de trois fois entre les individus. Par conséquent, certains poissons du traitement à faible ration ont en fait une croissance plus rapide que d'autres du traitement à ration élevée qui consomment trois fois plus de nourriture. Alors qu'il a déjà été démontré qu'une efficacité mitochondriale accrue favorise les traits liés à la forme physique (performance physique [34], performance de croissance [9,21-23,35], rendement de reproduction [36] et vieillissement [9,14,36,37] ), nous démontrons ici que cette relation peut même se produire lorsque les animaux connaissent des taux de consommation de nourriture similaires. En plus de varier selon les individus, l'efficacité mitochondriale est un trait flexible qui peut changer en réponse aux conditions environnementales [38,39] et au stade de la vie [34,40]. Une efficacité mitochondriale plus élevée peut également avoir un coût car les mitochondries sont un producteur majeur d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et l'efficacité mitochondriale peut être positivement liée à la production de ROS [17,37]. Lorsque la génération de ROS dans un organisme dépasse la capacité de ses mécanismes de défense et de réparation antioxydants à combattre ses effets, il peut y avoir une accumulation de dommages oxydatifs [41]. Les ROS ont été proposées comme un facteur important sous-jacent à la sénescence cellulaire et de l'organisme entier [41] et donc, un coût potentiel lié à une croissance rapide [42,43]. Malgré ce coût, dans certains contextes, la sélection naturelle peut favoriser des phénotypes avec une efficacité mitochondriale relativement élevée (car cela peut conduire à une croissance plus rapide, une taille corporelle accrue à maturité, un risque de mortalité minimisé et un nombre d'œufs plus élevé), alors que dans d'autres contextes, une l'efficacité mitochondriale et la diminution de la production de ROS pourraient être bénéfiques (par exemple dans des conditions de disponibilité alimentaire ad libitum) [7,17,37,44]. Cette hypothèse est conforme à plusieurs études récentes suggérant que la variation de la fonction mitochondriale est une cible clé de la sélection naturelle [45,46].

Nos résultats selon lesquels les poissons avec une efficacité mitochondriale hépatique élevée avaient un taux élevé de synthèse des protéines dans leurs muscles et une croissance plus rapide correspondent à nos prédictions selon lesquelles une efficacité plus élevée pour convertir les aliments en ATP peut conduire à une allocation accrue aux processus énergétiquement coûteux tels que la synthèse et la croissance des protéines. . Contrairement aux attentes, le taux de synthèse des protéines dans le muscle blanc était négativement corrélé avec les performances de croissance des individus qui ont le mieux grandi et affichaient des taux de synthèse des protéines musculaires inférieurs pour une efficacité mitochondriale hépatique donnée. Une explication de cet écart pourrait résider dans le fait que les taux de synthèse des protéines sont spécifiques aux tissus [47] et que la corrélation des taux de synthèse des protéines à travers différents tissus chez le même individu peut être faible (comme le montre cette étude), et donc le La gamme de tissus qui ont été mesurées dans notre étude pourrait ne pas être représentative du taux global de synthèse protéique chez l'animal entier, car celui-ci serait défini comme la somme des taux de synthèse protéique spécifiques à chaque tissu [48]. Cependant, des relations positives entre la synthèse des protéines dans le muscle blanc et la croissance corporelle ont été rapportées chez d'autres espèces [26,47]. Une autre explication est basée sur le fait que les protéines corporelles sont continuellement décomposées ainsi que synthétisées, et donc la synthèse des protéines n'entraînera une croissance que si le taux de synthèse dépasse le taux de dégradation. chaque poisson s'explique davantage par la variation des taux de dégradation des protéines que par les taux de synthèse des protéines [26]. Bien que les mesures des taux de dégradation des protéines dépassaient le cadre de la présente étude, il n'est possible d'expliquer les modèles observés de croissance des protéines que si tous les aspects du métabolisme des protéines (synthèse et dégradation) sont pris en compte [49].

En conclusion, notre étude a démontré une relation positive claire entre l'efficacité avec laquelle les mitochondries hépatiques convertissent les substrats énergétiques en ATP et les performances de croissance de l'animal entier. Les recherches futures devraient se concentrer sur la quantification des coûts présumés des mitochondries hautement efficaces. Des informations sur les causes et les conséquences de la variation de l'efficacité mitochondriale permettraient de prédire les conséquences pour les performances de l'animal entier de la variation de la fonction mitochondriale, reliant ainsi les processus cellulaires à la forme physique de l'organisme.

Éthique

Toutes les procédures ont été effectuées sous la juridiction d'une licence de projet du ministère de l'Intérieur britannique (PPL 60/4292).


RÉSULTATS ET DISCUSSION

L'activité de la voie Shh augmente la masse mitochondriale

Nous avons précédemment constaté que l'exposition à une forme bioactive de Shh (ShhN Chen et al., 2002a) ou l'agoniste Shh SAG (Chen et al., 2002b) pendant 24 à 48 h active la voie de signalisation Shh dans les neurones hippocampiques en culture (Yao et al., 2015). L'une des évaluations de l'activité cellulaire Shh est le niveau d'expression de la protéine Gli1 mesuré par immunoblot (Ingham et McMahon, 2001 Varjosalo et Taipale, 2008 Yao et al., 2015). Pour déterminer à quelle vitesse les neurones répondraient à ShhN, nous avons incubé des neurones avec ShhN pendant diverses durées de 1 à 24 h, récolté les neurones et analysé le niveau d'expression de la protéine Gli1. Nous avons constaté que le niveau de protéine Gli1 dans les neurones de l'hippocampe a augmenté après aussi peu que 1 h d'exposition à ShhN, et l'augmentation s'est poursuivie avec le temps de manière linéaire (figure 1A). Parce que 24 h d'incubation ShhN ont fortement activé la voie, nous avons utilisé ce protocole pour la plupart des expériences décrites dans cette étude, sauf indication contraire.

FIGURE 1 : Shh augmente la masse mitochondriale dans les neurones de l'hippocampe. (A) Les neurones hippocampiques cultivés ont été incubés avec ShhN (10 %) pendant diverses durées de 1 à 24 h. L'abondance de la cible transcriptionnelle Shh, Gli1, a été mesurée dans les lysats neuronaux par immunoblot en utilisant un anticorps spécifique de Gli1. Le même transfert (film) Gli1 a été exposé pendant 5 ou 60 s comme indiqué. (B) Immunoblot représentatif montrant les niveaux de protéine COXIV dans des neurones témoins non traités ou traités par ShhN ou SAG. SAG a été utilisé à 400 nM. (C) Quantification de l'intensité de la bande B. pour la COXIV et la -actine a été mesurée à l'aide d'ImageJ. Les niveaux de -actine ont été utilisés comme contrôle de normalisation. Les valeurs représentent la moyenne ± SEM quatre expériences *p < 0.05. (D) Les neurones témoins ou traités par ShhN ont été fixés, perméabilisés et coimmunomarqués avec un anticorps dirigé contre l'enzyme mitochondriale ATP synthase (vert) et un anticorps dirigé contre un marqueur neuronal, la -tubuline de classe III (Tuj rouge). Les neurones ont été visualisés en microscopie confocale.Des images représentatives de l'ATP synthase montrent des mitochondries allongées dans les neurones traités par ShhN. Barres d'échelle, 25 m (en haut), 10 m (en bas). (E) L'abondance et la morphologie des mitochondries ont été visualisées dans des neurones témoins ou traités par ShhN cocubés avec un colorant mitochondrial, MitoTracker Green, et un colorant marqueur membranaire, BODIPY (rouge). Des images de cellules vivantes représentatives montrent des mitochondries plus longues dans les neurones traités par ShhN. Barres d'échelle, 100 m (en haut), 10 m (en bas). (F) Quantification de la morphologie et de l'abondance des mitochondries (décrite dans Matériaux et méthodes). Plus de 80 000 mitochondries marquées au MitoTracker Green provenant de quatre expériences ont été mesurées. Les données représentent la moyenne ± SEM. ***p < 0,001.

Dans une enquête initiale sur les neurones traités par ShhN, nous avons remarqué des niveaux élevés d'ARNm pour de nombreuses molécules liées aux mitochondries (tableau supplémentaire S1), parmi lesquelles le complexe cytochrome C oxydase IV (COXIV), une protéine de la membrane mitochondriale interne (Vogel et al., 2006, augmentation d'environ deux fois par rapport à trois réplicats biologiques par puce à ADN). Par conséquent, nous avons mesuré le niveau de protéine COXIV dans les neurones stimulés par ShhN par immunoblot, en utilisant les niveaux de -actine comme contrôle de normalisation. Dans les neurones traités par ShhN, le niveau de protéine COXIV était sensiblement plus élevé que les neurones témoins (Figure 1, B et C). De même, l'agoniste Shh SAG a également augmenté de manière significative le niveau de COXIV (Figure 1, B et C).

Nous avons ensuite examiné l'enzyme mitochondriale ATP synthase en coimmunomarquant les neurones avec un anticorps contre l'ATP synthase et un anticorps contre un marqueur neuronal, la β-tubuline de classe III (Tuj1). Bien que des mitochondries marquées à l'ATP synthase aient été observées dans les neurones témoins et traités par ShhN, les mitochondries étaient sensiblement plus longues dans les neurones traités par ShhN (Figure 1D). En surveillant les mitochondries avec MitoTracker Green, qui étiquette les membranes internes mitochondriales (Mitra et Lippincott-Schwartz, 2010), nous avons à nouveau observé une augmentation de la population de mitochondries tubulaires longues dans les neurones traités par ShhN (figure 1E). Nous avons utilisé une stratégie d'analyse personnalisée pour quantifier les changements observés dans la morphologie et l'abondance des mitochondries (décrites dans Matériaux et méthodes). Les mesures de >80 000 mitochondries marquées au MitoTracker Green ont révélé que les mitochondries dans les neurones traités par ShhN étaient ∼ 2,5 fois plus longues que les mitochondries dans les neurones témoins non traités (Figure 1F). De plus, nous avons observé une plus grande densité de mitochondries dans les neurones traités par ShhN (figure 1F). Collectivement, ces résultats suggèrent que l'activation de la voie Shh dans les neurones de l'hippocampe augmente la masse mitochondriale globale en favorisant l'élongation mitochondriale et en augmentant le nombre de mitochondries.

L'activité de la voie Shh réduit la fission mitochondriale

Nous observons que le traitement Shh entraîne à la fois une augmentation de la longueur des mitochondries individuelles et plus de mitochondries totales. Bien que ces deux effets ensemble puissent contribuer à une fonction accrue des mitochondries (étudiée plus tard), le mécanisme de génération de ces effets peut être considéré séparément. La longueur des mitochondries est régulée par l'équilibre entre la fission et la fusion des mitochondries. L'augmentation observée de la longueur des mitochondries pourrait être causée par des niveaux accrus des protéines favorisant la fusion mitofusine1 (Mfn1), mitofusine2 (Mfn2) et atrophie optique 1 (Opa1 Scott et Youle, 2010 Westermann, 2010). Pour déterminer si la signalisation Shh modifie les niveaux des protéines favorisant la fusion, nous avons effectué une analyse par transfert Western de lysats neuronaux. Nous n'avons observé aucun changement dans les niveaux de Mfn1 ou de Mfn2 dans les cultures traitées par ShhN ou SAG (Figure 2, A et B). Nous n'avons également observé aucune augmentation significative des niveaux d'Opa1 dans les cultures traitées par ShhN ou SAG (Figure 2, C, en haut et D, à gauche).

FIGURE 2 : Shh réduit la protéine de fission mitochondriale Drp1. (A) Les neurones cultivés ont été incubés avec ShhN (10 %) ou SAG (400 nM) pendant 24 h, et les lysats neuronaux ont été collectés. Chaque échantillon a été divisé en trois séries égales (∼20 g par série) et analysé en trois immunoblots en utilisant un anticorps dirigé contre la mitofusine1 (Mfn1) ou la mitofusine2 (Mfn2) ou la -actine. (B) Quantification de A. L'intensité de la bande a été mesurée à l'aide d'ImageJ. Pour chaque échantillon, l'intensité de la bande Mfn a été normalisée à la -actine. Les données présentées sont normalisées par rapport aux échantillons témoins. Les données représentent la moyenne ± SEM trois expériences. (C) Comme dans A, les lysats cellulaires des neurones témoins ou traités par ShhN ou SAG ont été analysés par immunoblot. Les échantillons analysés en parallèle ont été sondés pour Opa1, Drp1, Drp1 sérine 616–forme phosphorylée (p616Drp1) ou β-actine. (D) Quantification de C. Le rapport de chaque bande par rapport à la -actine a été normalisé par rapport à la valeur des échantillons témoins. Les données sont moyennes ± SEM ***p < 0,001, six expériences. Les niveaux accrus d'Opa1 ne sont pas statistiquement significatifs (0,99 ± 0,02 dans le contrôle contre 1,11 ± 0,07 dans les neurones traités par ShhN, p = 0,16 ou contre 1,12 ± 0,02 dans les neurones traités par SAG, p = 0,06). (E) Pour évaluer l'abondance des protéines associées aux mitochondries, les mitochondries ont été isolées (décrites dans Matériaux et méthodes). L'immunotransfert de mitochondries purifiées montre des niveaux réduits de Drp1 et p616Drp1 associés aux mitochondries dans les neurones traités par ShhN. PonS, tache colorée au Ponceau S correspondant à la zone Drp1. (F) Quantification de E. L'intensité des bandes dans les échantillons ShhN est affichée en pourcentage de l'intensité des bandes dans les cellules de contrôle. Les données sont moyennes ± SEM. **p < 0.01, *p < 0,05 quatre expériences pour Drp1 et cinq pour p616Drp1. (G) Quantification du taux d'événements de fission mitochondriale dans ShhN par rapport aux cellules témoins (moyenne ± SEM). Les mitochondries des neurones témoins ou traités par ShhN ont été marquées avec MitoTracker Green et imagées à des intervalles de 10 s pendant 10 min à l'aide d'un microscope confocal à disque rotatif. Les événements de fission ont été identifiés visuellement lors de l'examen post-acquisition des ensembles de données. Le graphique affiche le nombre moyen d'événements de fission mitochondriale toutes les 10 minutes par cellule. **p < 0.01.

Nous avons ensuite examiné la protéine de fission mitochondriale GTPase Drp1 de type dynamine. La phosphorylation de Drp à la sérine 616 augmente l'activité de fission de la protéine (Taguchi et al., 2007 Chang et Blackstone, 2010). La diminution de l'activité de Drp1 pourrait contribuer à l'augmentation observée de la longueur mitochondriale, nous avons donc quantifié les niveaux de Drp1 total et de sa forme sérine 616-phosphorylée (phos616 Drp1 ou p616Drp1). Bien que nous n'ayons pas vu de changement constant dans le Drp1 total (Figure 2, C et D, au milieu), le niveau de phos616Drp1 a été considérablement réduit dans les neurones traités par ShhN ou SAG (Figure 2, C et D, à droite). Étant donné que Drp1 est recruté sur les sites de fission de la surface mitochondriale (Scott et Youle, 2010 Westermann, 2010), nous avons purifié les mitochondries des neurones traités par ShhN et des neurones témoins non traités et examiné Drp1 associé aux mitochondries. L'analyse par immunotransfert a révélé une réduction significative de Drp1 et de phos616 Drp1 associés aux mitochondries dans les neurones traités par ShhN (Figure 2, E et F). Ces résultats suggèrent que la signalisation Shh modifie la longueur mitochondriale en réduisant les événements de fission grâce à une activité Drp1 réduite.

Nous avons testé cette hypothèse en utilisant l'imagerie de fluorescence confocale en direct des mitochondries dans le contrôle par rapport aux neurones traités par ShhN et avons observé que le traitement ShhN provoquait une réduction significative du nombre d'événements de fission mitochondriale dans les neurones ShhN (0,33 événement de fission toutes les 10 min par cellule, m = 10 cellules) par rapport au témoin (0,86 événement de fission toutes les 10 min par cellule, m = 10 cellules p < 0,005 Figure 2G). Pris ensemble, nos résultats soutiennent l'hypothèse selon laquelle Shh induit un allongement mitochondrial dans les neurones de l'hippocampe en partie en réduisant les niveaux et l'activité de phos616 Drp1, réduisant ainsi le taux global de fission mitochondriale.

En plus des mitochondries plus longues, la stimulation Shh provoque l'accumulation de plus de deux fois plus de mitochondries dans les neurones. Pris isolément, on pourrait s'attendre à ce que la diminution observée des événements de fission entraîne une diminution de la population de mitochondries. On sait cependant que l'allongement des mitochondries diminue la dégradation des mitochondries par mitophagie (Rambold et al., 2011). Bien que Shh stimule certaines formes d'autophagie dans les neurones hippocampiques (Petralia et al., 2013), l'augmentation de la longueur des mitochondries due à la diminution de la fission lors du traitement Shh protège probablement les mitochondries de la dégradation (Gomes et al., 2011).

De nouvelles preuves suggèrent un lien fonctionnel entre Drp1, la dynamique des filaments d'actine et les protéines régulatrices d'actine (Korobova et al., 2013, 2014 Hatch et al., 2014 Ji et al., 2015 Manoir et al., 2015), dont la cofiline (Li et al., 2014 Prudent et McBride, 2016). La régulation à la baisse de la cofiline affecte la fission mitochondriale médiée par Drp1, conduisant à l'allongement des mitochondries (Li et al., 2014). Parce que l'activité de la voie Shh dans les neurones de l'hippocampe régule efficacement à la baisse la cofiline (Yao et al., 2015), il est plausible que l'activité de la voie de signalisation Shh puisse influencer les mitochondries en régulant à la fois Drp1 et la cofiline.

L'activité de la voie Shh modifie l'apparence ultrastructurale des mitochondries

Nous avons ensuite examiné l'ultrastructure des mitochondries stimulées par Shh en utilisant la microscopie électronique à transmission. Compte tenu des grandes variables expérimentales et de la résolution insuffisante des structures internes dans les mitochondries de ces neurones en culture, nous nous sommes concentrés sur la comparaison de l'apparence globale mitochondriale des neurones traités par ShhN aux neurones témoins non traités. La différence notable entre les deux groupes était les mitochondries généralement plus sombres dans les neurones traités par ShhN (figure 3, A et B, et figures supplémentaires S1 et S2). Pour faire des comparaisons objectives, nous avons quantifié l'intensité des mitochondries par rapport à l'intensité du cytoplasme du même neurone. Les mesures de 984 mitochondries ont confirmé que l'intensité moyenne des mitochondries dans les neurones traités par ShhN était significativement plus élevée que celle des mitochondries dans les neurones témoins non traités (rapport de l'intensité mitochondriale à l'intensité cytoplasmique pour le traitement ShhN 2 jours : ShhN 32,0 ± 0,85 vs contrôle 23,8 ± 1,14, p < 0,001 m ≥ 519 mitochondries, cultures de trois rats Traitement ShhN 3 jours : ShhN 39,6 ± 1,34 vs contrôle 26,6 ± 0,91, p < 0,001 m ≥ 465 cultures de mitochondries de trois rats Figure 3C).

FIGURE 3 : Shh altère l'ultrastructure mitochondriale. (A, B) Les neurones de l'hippocampe ont été traités avec ShhN pendant 2 ou 3 jours et traités pour la microscopie électronique. Des micrographies électroniques représentatives (cinq exemples pour chaque groupe) montrent la gamme de structures mitochondriales et de densité dans les neurones témoins et traités par ShhN. De nombreuses mitochondries sensiblement plus sombres sont observées dans les neurones traités par ShhN. La plupart des micrographies montrent des régions synaptiques où les axones avec terminaisons présynaptiques (pré) et les dendrites peuvent être facilement distingués. Barre d'échelle, 500 nm (en bas à gauche et trois en haut), 1 m (sinon). (C) L'intensité mitochondriale a été mesurée à l'aide d'ImageJ. Dans chaque micrographie électronique, une zone aléatoire sur le cytoplasme (sans mitochondries) a été sélectionnée et l'intensité (valeur de gris moyenne) a été mesurée. La même zone sélectionnée a ensuite été déplacée sur une mitochondrie et l'intensité a été mesurée. Pour chaque micrographie, trois mitochondries sélectionnées au hasard ont été mesurées et le rapport de chaque intensité mitochondriale à l'intensité cytoplasmique a été calculé (moyenne ± SEM ***p < 0,001, 519 mitochondries pour le traitement en 2 jours et ≥ 465 pour le traitement en 3 jours). (D) Les mitochondries ont été purifiées à partir de neurones témoins et traités par ShhN, et les protéines solubilisées ont été séparées par SDS-PAGE. L'analyse par immunotransfert montre que la protéine de membrane interne COXIV augmente lors du traitement par ShhN, mais le niveau de la protéine de membrane externe VDAC est relativement inchangé. (E) Quantification de D. Les intensités des bandes ont été quantifiées à l'aide d'ImageJ. L'intensité des bandes dans les échantillons ShhN est normalisée à la valeur dans les échantillons de contrôle. *p < 0,05, quatre expériences.

Des progrès significatifs ont été réalisés dans la compréhension de la morphologie et de la structure des mitochondries. La pertinence biologique de la densité électronique mitochondriale vue en microscopie électronique, cependant, n'est pas comprise. Dans une première étude au microscope électronique de cellules hépatiques de rat, les mitochondries sont devenues plus légères ou moins denses en électrons après avoir été affamées puis se sont réalimentées (Rouiller et Bernhard, 1956). Dans une étude plus récente de fibroblastes embryonnaires de souris, les mitochondries étaient plus sombres après la famine dans certaines conditions expérimentales (Gomes et al., 2011). Ces observations impliquent, au moins dans les cellules non neuronales, une corrélation entre la densité électronique mitochondriale et leur activité. Dans le cas des cellules neuronales, les différences de densité électronique mitochondriale semblent n'être observées qu'accessoirement. Dans une caractérisation au microscope électronique de neurones hippocampiques cultivés - le type neuronal étudié dans ce travail, les mitochondries sont apparues plus sombres dans les axones que dans les dendrites (Bartlett et Banker, 1984), bien que la différence n'ait pas été explicitement étudiée. Une différence similaire a également été observée dans les nerfs auditifs, pour lesquels les mitochondries présynaptiques semblaient nettement plus sombres (Redd et al., 2000).

On pourrait supposer que les mitochondries plus foncées sont indicatives de plus grandes quantités de protéines mitochondriales, en particulier celles résidant sur les membranes internes des mitochondries (Gomes et al., 2011). Parce que la protéine COXIV réside dans les membranes internes mitochondriales (Vogel et al., 2006) et son niveau est nettement augmenté dans les lysats cellulaires totaux des neurones traités par ShhN (Figure 1, B et C), nous avons comparé le niveau de protéine COXIV dans les mitochondries purifiées des neurones traités par ShhN à ceux des neurones témoins. L'analyse par immunotransfert a révélé que la COXIV mitochondriale était environ quatre fois plus élevée dans les neurones traités par ShhN que dans les neurones témoins (4,27 ± 0,98 dans les neurones traités par ShhN contre 0,99 ± 0,03 dans les témoins, p = 0.045, m = 4 Figure 3, D et E).

L'activité de la voie Shh augmente l'activité de phosphorylation oxydative mitochondriale

Ensuite, nous avons examiné la fonction mitochondriale en utilisant deux approches. Tout d'abord, nous avons co-incubé les neurones avec deux colorants : CMXRos, un colorant fluorescent rouge qui s'accumule dans les membranes mitochondriales en fonction de leur potentiel membranaire, et MitoTracker Green, qui étiquette les mitochondries quel que soit leur potentiel membranaire (Mitra et Lippincott-Schwartz, 2010). Nous avons utilisé le rapport de CMXRos à MitoTracker Green pour mesurer le potentiel de membrane mitochondriale dans les neurones de contrôle ShhN traités et non traités. Nous avons constaté que les neurones traités par ShhN ont des ratios CMXRos:MitoTracker Green sensiblement plus élevés (∼ 10 fois plus élevés) que les neurones témoins (p < 0,001 Figure 4, A et B). Deuxièmement, nous avons mesuré le taux de consommation d'oxygène cellulaire (OCR) à l'aide du système Seahorse (Ferrick et al., 2008) et comparé la respiration mitochondriale et la respiration liée à l'ATP entre les neurones traités par ShhN et les neurones témoins. Les neurones traités par ShhN ont des activités respiratoires basale et maximale significativement plus élevées (Figure 4, C et D), ainsi que des niveaux accrus de respiration liée à l'ATP (Figure 4E). Ces résultats suggèrent que l'activité de signalisation Shh déplace les neurones de l'hippocampe d'un état métabolique anaérobie à faible production d'énergie dépendant principalement de la glycolyse à un état aérobie à production d'énergie plus élevée qui utilise également la phosphorylation oxydative pour la production d'ATP (Wu et al., 2007).

FIGURE 4 : Shh augmente l'activité de phosphorylation oxydative mitochondriale. (A) Les neurones de contrôle ou traités par ShhN ont été co-incubés avec CMXRos et MitoTracker Green. Des images représentatives montrent une carte thermique du rapport entre CMXRos et MitoTracker Green dans les neurones vivants, témoins et traités par ShhN. En bas, grossissements des régions indiquées en haut. Barres d'échelle, 100 m (en haut), 20 m (en bas). (B) Quantification du rapport de CMXRos à MitoTracker Green dans les neurones témoins par rapport aux neurones traités par ShhN (six expériences, avec ∼10 cellules dans chaque expérience moyenne ± SEM **p < 0.01). (C) OCR des neurones de contrôle et traités par ShhN (décrit dans Matériaux et méthodes). (D) Valeurs moyennes de la capacité respiratoire basale et maximale dans les neurones témoins et traités par ShhN. (E) Respiration liée à l'ATP plus élevée dans les neurones traités par ShhN. Pour C–E, six expériences. Moyenne ± SEM. **p < 0.01, *p < 0.05.

L'activité de la voie Shh protège les neurones contre le stress

Enfin, nous avons étudié la conséquence fonctionnelle de l'activité mitochondriale Shh observée dans les neurones de l'hippocampe en examinant l'effet de plusieurs toxines. Les neurones ont d'abord été traités avec le SAG-agoniste Shh pendant 24 h, puis exposés à un facteur de stress neurotoxique pendant 24 h supplémentaires. La viabilité cellulaire a été mesurée à l'aide d'un test colorimétrique de viabilité cellulaire. Les neurones ont été exposés aux neurotoxines pendant 24 h plutôt qu'une période de temps plus courte pour imiter un stress ou une maladie neurologique chronique plutôt qu'une agression aiguë.

Les agents neurotoxiques utilisés étaient le -peptide amyloïde (acides aminés Aβ 1 à 42), le peroxyde d'hydrogène, le glutamate et la roténone. Aβ a été utilisé pour imiter les conditions que les neurones subissent lorsque Aβ s'agrège et s'accumule dans le cerveau dans la maladie d'Alzheimer. L'agrégation d'Aβ génère des espèces réactives de l'oxygène qui provoquent la peroxydation des lipides membranaires, une altération de la gestion du calcium et un dysfonctionnement mitochondrial dans les neurones (Mattson et al., 1992 Keller et al., 1997 Marc et al., 1997 Prasansuklab et Tencomnao, 2013). Le traitement au peroxyde d'hydrogène a été utilisé pour imiter le stress oxydatif cellulaire, tandis que le glutamate induit une excitotoxicité et que la roténone réduit la fonction mitochondriale en inhibant le complexe I de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale. Nous avons constaté que dans les neurones sans traitement SAG, chaque toxine compromettait considérablement la viabilité neuronale : réduction de 39,3 % avec 7,5 µM d'Aβ, réduction de 30,0 % avec 15 µM de peroxyde d'hydrogène, 29 % de réduction avec 50 µM de traitement au glutamate et 19,8 % avec 75 nM. roténone (Figure 5, A et B). La préexposition et le cotraitement avec SAG ont considérablement atténué la viabilité cellulaire compromise causée par toutes les toxines testées : 23,2, 17,4, 14 et 12,9% pour les neurones traités avec Aβ, peroxyde d'hydrogène, glutamate et roténone, respectivement (Figure 5, A et B) . Ces résultats indiquent que la signalisation Shh peut protéger les neurones, au moins dans une certaine mesure, contre la mort causée par le stress oxydatif, excitotoxique et métabolique.

FIGURE 5 : Shh protège les neurones contre les neurotoxines. Les neurones de l'hippocampe ont été traités avec du SAG (200 nM) au jour 6 de la culture (A Aβ et H2O2 expériences) ou 7 (expériences sur le glutamate B et la roténone) pendant 24 h, suivies d'une coincubation avec la neurotoxine indiquée pendant 24 h supplémentaires. La viabilité cellulaire a ensuite été évaluée à l'aide d'un test colorimétrique (décrit dans Matériaux et méthodes). Les données sont tracées en pourcentage de viabilité par rapport aux cellules témoins non traitées. Toutes les toxines ont réduit la viabilité cellulaire des neurones. Le traitement avec SAG a significativement amélioré la viabilité cellulaire réduite par chaque toxine (**p < 0.01, *p < 0,05 au moins trois expériences).

Dans cette étude, nous fournissons des preuves que Shh, bien connu comme un morphogène du développement, peut influencer l'abondance mitochondriale, la morphologie, la fonction et la résistance au stress dans les neurones de l'hippocampe. Un rapport précédent de culture de neurones corticaux cérébraux a fourni la preuve que Shh peut protéger les neurones contre le stress métabolique induit par l'acide 3-nitropropionique, inhibiteur de la succinate déshydrogénase (Wu et al., 2009). Cependant, le mécanisme sous-jacent n'a pas été étudié. Nous avons constaté que la signalisation Shh augmente la taille et le nombre de mitochondries et améliore la respiration mitochondriale et la production d'ATP dans les neurones de l'hippocampe. En raison de leur activité électrique continue (potentiels d'action) et de leur transmission synaptique excitatrice (médiée par le glutamate), les neurones ont une demande en ATP très élevée. En conséquence, les diminutions des niveaux d'ATP rendent les neurones vulnérables à l'excitotoxicité, un type de mort neuronale connue pour se produire dans les accidents vasculaires cérébraux ischémiques et qui se produit également probablement dans les maladies d'Alzheimer, de Parkinson et de Huntington (Mattson, 2003). Nous avons constaté que Shh protégeait les neurones de l'hippocampe contre l'excitotoxicité induite par le glutamate et contre la mort induite par la toxine mitochondriale roténone et Aβ, dont il a été démontré qu'elles augmentent la vulnérabilité des neurones à l'excitotoxicité (Mattson et al., 1992 Kanki et al., 2004). Nos résultats suggèrent qu'en augmentant la masse et la fonction mitochondriale, Shh peut protéger les neurones contre les facteurs de stress pathologiques qui provoquent ou favorisent le dysfonctionnement et la dégénérescence neuronale.

La fonction mitochondriale améliorée par Shh joue peut-être également un rôle dans d'autres processus cellulaires dans les neurones. Par exemple, nous avons déjà découvert que l'activité de la voie Shh stimule sélectivement la croissance axonale des neurones hippocampiques (Yao et al., 2015), bien que nous n'ayons pas déterminé si les mitochondries étaient impliquées. Cependant, d'autres études ont démontré l'importance des mitochondries dans la croissance axonale (Mattson et Partin, 1999 Vaarmann et al., 2016). Par conséquent, il est raisonnable de considérer que la régulation à la hausse de la fonction mitochondriale par la voie de signalisation Shh est importante pour la croissance axonale stimulée par Shh dans les neurones hippocampiques (Yao et al., 2015) et d'autres types de neurones (Charron et al., 2003 Parra et Zou, 2010 Wilson et Stoeckli, 2013).

Quel est le mécanisme sous-jacent à la régulation à la hausse mitochondriale induite par Shh ? La protéine kinase activée par l'AMP (AMPK) joue un rôle dans la biogenèse mitochondriale (Hardie, 2011). Bien qu'il ait été récemment rapporté que l'activation de l'AMPK supprime l'activité de la voie de signalisation Shh dans les cellules tumorales (Li et al., 2015), on ne sait pas si le contraire est vrai, c'est-à-dire si la signalisation Shh affecte l'AMPK. Nos observations préliminaires indiquent que l'effet de Shh sur l'AMPK est, au moins dans les neurones de l'hippocampe, soit inexistant, soit négligeable (données non publiées).

Enfin, il est intéressant de noter que la signalisation Shh a été proposée pour avoir un effet opposé sur les mitochondries dans les précurseurs des neurones des granules cérébelleux (CGNPs Malhotra et al., 2016). Une distinction entre les CGNP et les neurones hippocampiques est que les premiers prolifèrent mais que les seconds sont différenciés et postmitotiques. Que les différences de réponse à la signalisation Shh proviennent de différences intrinsèques dans les types de cellules, les stades de développement ou les circuits neuronaux associés sont des questions importantes. L'écart entre nos conclusions et celles de Malhotra et al. (2016) pourrait également résulter de différences dans les conditions expérimentales et la conception. Par exemple, ils ont utilisé Shh recombinant, dont la bioactivité semblait négligeable par rapport à celle de ShhN (Figure supplémentaire S3).


Machines moléculaires

Qu'en est-il des mouvements turbulents au voisinage des protéines ? Les protéines respiratoires sont d'extraordinaires machines moléculaires à l'échelle nanométrique qui peuvent changer leur état conformationnel des centaines de fois par seconde, l'ATP synthase tourne jusqu'à 400 fois par seconde [12].

Il existe une tendance intéressante pour les protéines respiratoires à membrane intégrale chez les métazoaires, où de nombreux acides aminés hydrophobes chez les animaux à faible métabolisme tels que les nématodes sont remplacés par des résidus de sérine et de thréonine chez les animaux plus actifs, notamment les oiseaux et les mammifères [13]. Les résidus sérine et thréonine peuvent former de vastes réseaux de liaisons hydrogène faibles entre les hélices transmembranaires, ce qui pourrait faciliter des changements rapides entre les états conformationnels impliqués dans le pompage des protons [14]. Ils pourraient également aider à stabiliser l'assemblage des supercomplexes [14], dont Chrétien et ses collègues montrent qu'ils sont plus robustes à des températures plus élevées que les complexes respiratoires individuels [1].


Structure mitochondriale

Chaque organite cellulaire est conçu de manière unique pour soutenir ses fonctions, comme on peut le voir dans la structure et les fonctions des mitochondries. Une mitochondrie est constituée de deux membranes : une membrane externe et une membrane interne, toutes deux constituées de protéines et d'autres composés complexes. Étant donné que les deux membranes ont des propriétés distinctes, une seule mitochondrie est constituée de l'espace intermembranaire, de l'espace crista et de la matrice, à l'exception des deux membranes. Chaque partie de l'organelle a un rôle important à jouer, et la structure de chaque mitochondrie est déterminante dans l'exécution de celles-ci.

La membrane externe est le logement de divers composants des mitochondries et est perméable à l'ATP, à l'ADP ou à d'autres molécules. La membrane interne est constituée de molécules du système de transport d'électrons en plus de protéines de transport et de divers complexes. Elle est moins perméable que la membrane externe. La matrice est cytoplasmique et se compose de molécules d'ADN en plus de divers gaz et enzymes. Les ribosomes sont responsables de la synthèse des protéines et sont contenus dans la matrice avec d'autres complexes. Les crêtes sont les introversions responsables de l'augmentation de la surface de la membrane interne.


Introduction

Les espèces et les populations au sein des espèces présentent des variations substantielles dans les traits d'histoire de vie tels que la fécondité, le succès d'éclosion, le taux de développement, le taux de croissance et la taille à maturité ( Roff 1992). Cependant, la variation de ces traits ne se produit pas dans toutes les combinaisons possibles dans la nature ( Stearns 1976, 1992). Au lieu de cela, il a été proposé de se produire le long d'un continuum lent à rapide, avec des espèces ou des populations avec un faible taux de reproduction, un développement lent et une longue durée de vie à une extrémité du continuum, et celles avec des taux de reproduction et un développement plus rapides, mais plus courts. durée de vie à l'autre ( Ricklefs et Wikelski 2002). En tant que telle, l'hypothèse du rythme de vie a son fondement dans le concept classique de sélection « r » et « K » ( MacArthur et Wilson 1967 Pianka 1970). Le concept de rythme de vie a été étendu pour inclure une variété de traits physiologiques et comportementaux ( Reale et al. 2010), suggérant l'existence d'un syndrome complexe qui relie plusieurs traits à travers les niveaux d'organisation biologique à la variation des stratégies d'histoire de vie. Ces différences observées dans le rythme de vie apparent et les traits physiologiques et comportementaux associés ( Reale et al. 2010) représentent différents choix d'allocation parmi les investissements dans la reproduction, la croissance et la survie ( Stearns 1976, 1992) résultant des compromis dus à la allocation de ressources limitées entre différentes fonctions ( Stearns 1992 Zera et Harshman 2001). Le concept de rythme de vie a inspiré des efforts de recherche substantiels et a fait l'objet de multiples synthèses récentes (voir par exemple Dammhahn et al. 2018), mais sa validité et sa base mécanistique sous-jacente font toujours l'objet d'un débat vigoureux ( Royauté et al. 2018 ). Le but de la présente revue est d'examiner ce concept dans le contexte de la physiologie thermique, et plus précisément d'explorer le rôle potentiel de la variation de la fonction mitochondriale en tant que mécanisme sous-jacent à la variation du rythme de vie en tant qu'adaptation à la température environnementale.

On pense que la variation du taux métabolique joue un rôle important en tant que cause ou conséquence de la variation du rythme de vie ( Ricklefs et Wikelski 2002 Wiersma et al. 2007 Williams et al. 2010 Glazier 2015), en tant qu'individus en fin de vie le spectre du rythme de vie a tendance à avoir des taux métaboliques au repos plus élevés, même après avoir pris en compte les différences de taille corporelle ( Ricklefs et Wikelski 2002). En effet, dans une étude élégante avec des guppys trinidadiens, Auer et al. (2018) ont montré que le taux métabolique standard avait une forte corrélation positive avec une série de traits associés au rythme de vie (tels que l'âge et la masse des mâles à maturité, l'âge et la masse des femelles à la première parturition, l'intervalle entre les portées et l'allocation de reproduction. ) dans des populations naturelles exposées à différentes pressions de prédation, et que le changement évolutif du rythme de vie après transplantation expérimentale sur des sites soumis à différentes pressions de prédation s'accompagnait de changements dans le taux métabolique. Ces études démontrent le potentiel d'une association étroite entre la variation du taux métabolique et le rythme de la vie, et elles mettent en évidence l'importance évolutive de ces associations. Cependant, les mécanismes physiologiques et biochimiques sous-jacents qui provoquent une variation du taux métabolique, et donc potentiellement du rythme de la vie, ne sont pas entièrement connus et peuvent inclure des processus agissant à de nombreux niveaux d'organisation biologique ( Versteegh et al. 2012 Konarzewski et Książek 2013 Wone et al. 2013 Pettersen et al. 2018).

Un processus cellulaire qui pourrait jouer un rôle clé dans l'influence du rythme de la vie est la phosphorylation oxydative mitochondriale (Fig. 1). Les mitochondries sont la principale source de génération d'ATP dans les cellules animales et sont donc intimement impliquées dans le métabolisme des nutriments et de l'énergie. La production d'ATP aérobie dans la mitochondrie se produit via la phosphorylation oxydative, qui est accomplie par les protéines du système de transport d'électrons mitochondrial (ETS) et l'ATP synthase (Complexe V), qui sont une série de protéines membranaires ou associées à la membrane situées sur la membrane mitochondriale interne. Les protéines de l'ETS acceptent les électrons du NADH et du FADH2 aux complexes I et II de l'ETS, respectivement. Ces électrons sont ensuite transportés à travers l'ETS, et ce processus de transport d'électrons entraîne la translocation de protons (H + ) par les complexes I, III et IV de la matrice mitochondriale vers l'espace intermembranaire. Le gradient de protons résultant est exploité par l'ATP synthase pour produire de l'ATP. Notez que ce processus n'est pas parfaitement efficace, car les protons peuvent également traverser la membrane mitochondriale interne par diverses voies telles que les protéines de découplage et la translocase du nucléotide adénine, ou même à travers la membrane elle-même ( Jastroch et al. 2007), en contournant l'ATP synthase, qui se traduit par la dissipation du gradient de protons sans synthèse d'ATP.

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Transport d'électrons mitochondriaux et synthèse d'ATP. Le système de transport d'électrons (ETS) consiste en une série de complexes protéiques associés à la membrane (complexes I-IV) intégrés dans la membrane mitochondriale interne qui sépare la matrice mitochondriale et l'espace intermembranaire (IMS). Les porteurs d'électrons transfèrent les électrons principalement aux complexes I et II, qui les transmettent ensuite à la coenzyme Q, une molécule liposoluble présente dans la phase lipidique de la membrane. La coenzyme Q passe ensuite les électrons au complexe III, et ils sont finalement transférés à l'oxygène par l'action du complexe IV (cytochrome c oxydase). Le transfert d'électrons à travers l'ETS est associé à la translocation de protons (H + ) dans l'IMS. Le résultat protonique (ΔP) et électrique (Ψm) est utilisé par le complexe V (ATP synthase) pour synthétiser l'ATP. Les protons peuvent également traverser la membrane par diverses voies de fuite telles que les protéines de découplage (UCP) et le translocateur de nucléotides adénine (ANT) qui n'entraînent pas la synthèse d'ATP.

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Transport d'électrons mitochondriaux et synthèse d'ATP. Le système de transport d'électrons (ETS) consiste en une série de complexes protéiques associés à la membrane (complexes I-IV) intégrés dans la membrane mitochondriale interne qui sépare la matrice mitochondriale et l'espace intermembranaire (IMS). Les porteurs d'électrons transfèrent les électrons principalement aux complexes I et II, qui les transmettent ensuite à la coenzyme Q, une molécule liposoluble présente dans la phase lipidique de la membrane. La coenzyme Q passe ensuite les électrons au complexe III, et ils sont finalement transférés à l'oxygène par l'action du complexe IV (cytochrome c oxydase). Le transfert d'électrons à travers l'ETS est associé à la translocation de protons (H + ) dans l'IMS. Le résultat protonique (ΔP) et électrique (Ψm) est utilisé par le complexe V (ATP synthase) pour synthétiser l'ATP. Les protons peuvent également traverser la membrane par diverses voies de fuite telles que les protéines de découplage (UCP) et le translocateur de nucléotides adénine (ANT) qui n'entraînent pas la synthèse d'ATP.

L'oxygène est l'accepteur d'électrons final le long de l'ETS et est donc essentiel pour le fonctionnement continu de l'ETS et la phosphorylation oxydative. Cependant, dans certaines circonstances ( Murphy 2009), l'oxygène peut également interagir avec les porteurs d'électrons à diverses étapes le long de l'ETS, formant ainsi du superoxyde, un type d'espèce réactive de l'oxygène (ROS). La production de ROS par les mitochondries peut entraîner des dommages oxydatifs aux membranes mitochondriales, aux protéines et à l'ADN. Les dommages ne se limitent pas à la mitochondrie, car ces ROS peuvent également être libérés dans la cellule et causer des dommages étendus, ce qui est considéré comme un déterminant majeur du vieillissement cellulaire, et donc de la durée de vie (Selman et al. 2012). Cependant, la production de ROS n'est pas le seul déterminant de l'étendue des dommages oxydatifs. Les cellules ont de multiples mécanismes efficaces pour tamponner la production de ROS grâce à une variété d'antioxydants non enzymatiques et enzymatiques ( Birben et al. 2012). L'étendue du stress oxydatif subi par un organisme, et donc le potentiel de dommages oxydatifs, refléteront l'équilibre entre la production de ROS et l'étendue des mécanismes antioxydants. Ainsi, il est probable que cet équilibre entre la production de ROS et les défenses antioxydantes soit une composante importante des compromis qui sont censés sous-tendre la variation du rythme de vie (Monaghan et al. 2009). Le fait que la mitochondrie joue un rôle clé à la fois dans les mécanismes sous-jacents au taux métabolique aérobie et dans la production de ROS suggère que cet organite peut être un lien critique de l'évolution de l'histoire de la vie qui pourrait jouer un rôle dans l'établissement des compromis qui sous-tendent le rythme de l'hypothèse de vie ( Speakman et al. 2015 Janssens et Stoks 2018).


Dynamique

Formellement, le terme « dynamique mitochondriale » inclut toutes les différentes manières dont les caractéristiques géométriques des réseaux mitochondriaux changent au fil du temps. Plus communément, la « dynamique mitochondriale » fait référence à la dynamique de fission et de fusion qui remodèle constamment le réseau mitochondrial. La fission coupe un tubule en deux tandis que la fusion peut lier deux tubules ensemble pour former un tubule plus long ou une branche. L'équilibre de la fission et de la fusion est important pour façonner les réseaux mitochondriaux plus de fission que la fusion conduit à des réseaux sur-fragmentés tandis que plus de fusion que la fission conduit à des réseaux sur-connectés par rapport aux réseaux normaux de type sauvage (articles originaux examinés dans [24]) (Figure 2a). Si la fusion est suffisamment augmentée par rapport à la fission, toutes les régions mitochondriales séparées ont le potentiel d'être interconnectées en un seul réseau mitochondrial. La mitochondrie «individuelle» canonique ou les petits sous-réseaux mitochondriaux apparaissent en raison d'événements de fission. Cependant, ce ne sont en fait pas des individus séparés mais des sous-régions temporairement séparées de l'ensemble du réseau mitochondrial qui est dans un certain état de fission et de fusion à un moment donné. Des études de photoconversion de protéines rapporteurs ciblées sur la matrice chez la levure ont montré que l'ensemble du réseau mitochondrial est complètement interconnecté, et donc le contenu de la matrice de l'ensemble du réseau mélangé, dans les 5 secondes après le début de la photoconversion dans la moitié des cellules tandis que dans l'autre moitié, 30 à 95% du réseau est interconnecté dans ce délai. En 10 minutes, l'ensemble du réseau de toutes les cellules est devenu interconnecté et tout le contenu de sa matrice s'est mélangé [2]. Étant donné que le taux moyen de fission et de fusion dans les cellules de levure est d'environ un par minute par cellule [25], cela suggère que dans la plupart des cellules, la majeure partie du réseau est déjà interconnectée et que dans le reste des cellules, il le devient à travers plusieurs événements de fusion. Dans les cellules de mammifères, les taux de fission et de fusion sont plus lents [26] et les réseaux mitochondriaux sont également beaucoup plus importants. Une diminution du taux de dynamique et une augmentation de la taille devraient conduire à une période plus longue sur laquelle les réseaux mitochondriaux sont interconnectés, conformément aux observations expérimentales [27, 28]. De plus, comme la fusion nécessite un potentiel membranaire mitochondrial [29, 30], les sous-régions du réseau qui ont perdu la capacité de fonctionner correctement et de générer ce potentiel membranaire peuvent rester séparées indéfiniment et sont censées être ciblées pour la mitophagie [28] .

Les machines moléculaires responsables de l'exercice de la dynamique de fission et de fusion ont été largement étudiées. La fission se produit à travers la protéine Dnm1p, qui est une DRP (protéine liée à la dynamique) GTPase qui peut s'assembler en une structure en spirale et se contracter lors de l'activation par les protéines accessoires Mdv1p et Fis1p [31, 32]. Curieusement, le RE est associé à des sites de légères constrictions des tubules mitochondriaux qui deviennent de futurs sites de fission. Ces constrictions peuvent permettre la liaison Dnm1p et des événements de fission plus efficaces [33]. Récemment, l'activation de l'activité de polymérisation de l'actine via les formines a également été impliquée sur ces sites de fission mitochondriale associés au RE, suggérant qu'un mécanisme possible de la constriction mitochondriale associée au RE pourrait être la régulation de la dynamique du cytosquelette [34]. La fusion implique deux autres DRP, Fzo1p et Mgm1p, pour la fusion de la membrane externe et de la membrane interne, respectivement, les deux processus étant coordonnés par Ugo1p [35]. Le processus de fusion nécessite la liaison et l'hydrolyse du GTP ainsi qu'un potentiel membranaire [29, 30].

En plus de réguler la topologie du réseau mitochondrial, la dynamique de fission et de fusion peut contribuer à la santé homéostatique du réseau mitochondrial. Récemment, un « mécanisme de contrôle de la qualité mitochondrial » a été proposé sur la base de résultats expérimentaux et informatiques [36]. Comme illustré sur la figure 3, les événements de fusion permettent le mélange du contenu mitochondrial endommagé par oxydation généré comme sous-produit de la respiration. Ainsi, un fragment mitochondrial endommagé peut être restauré lorsqu'il se réfugie dans le réseau. La fusion elle-même dépend du potentiel membranaire mitochondrial. Par conséquent, plus un fragment de réseau est endommagé, moins il est susceptible de refondre. Au lieu de cela, s'il reste isolé, il est ciblé pour le renouvellement par mitophagie.La fission, quant à elle, est le mécanisme qui permet la création continue de petits fragments mitochondriaux, qui peuvent soit fusionner avec le réseau, soit être séparés s'ils sont excessivement endommagés. Ce modèle met en place un cadre important pour déchiffrer la causalité entre la structure et la fonction mitochondriale.

Le diagramme du « mécanisme de contrôle de la qualité mitochondrial » montre trois moments séquentiels de fission et de fusion. Les flèches dans le temps 1 représentent deux événements de fission. La flèche dans le temps 3 représente la refusion du fragment rose au réseau et la dissipation de ses dommages. Le fragment rouge a accumulé trop de dégâts et ne peut pas refusionner avec le réseau. Il sera ciblé pour la mitophagie. La barre de couleur représente la quantité de dommages mitochondriaux.


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