ADN MITOCHONDRIAL: CARACTÉRISTIQUES, FONCTIONS, HÉRITAGE, MALADIES - LA BIOLOGIE - 2025

L' ADN mitochondrial est une petite molécule d'ADN circulaire qui se trouve à l'intérieur de ces organites dans les cellules eucaryotes. Ce petit génome code pour un nombre très limité de protéines et d'acides aminés dans les mitochondries. Il est courant de trouver le nom «ADN mitochondrial» abrégé dans de nombreux manuels et articles scientifiques comme «mtDNA» ou en anglais «mtDNA».

Les mitochondries sont des organites indispensables aux cellules eucaryotes, car elles sont responsables de la transformation de l'énergie des aliments consommés sous forme de sucres en une forme d'énergie que les cellules peuvent utiliser (ATP, par exemple).

ADN mitochondrial (Source? Institut national de recherche sur le génome humain, via Wikimedia Commons)

Toutes les cellules des organismes eucaryotes ont au moins une mitochondrie à l'intérieur. Cependant, il existe des cellules telles que les cellules du muscle cardiaque et les cellules du muscle squelettique qui peuvent contenir des centaines de mitochondries.

Les mitochondries ont leur propre appareil de synthèse de protéines indépendant de l'appareil cellulaire, avec des ribosomes, des ARN de transfert et une aminoacyl ARN transférase-synthétase de l'intérieur de l'organite; bien que l'ARN ribosomal soit plus petit que celui de la cellule qui les abrite.

Un tel appareil présente une grande similitude avec l'appareil de synthèse protéique de bactéries. De plus, comme chez les procaryotes, cet appareil est extrêmement sensible aux antibiotiques, mais très différent de celui de la synthèse protéique dans les cellules eucaryotes.

Le terme «mitochondrie» a été introduit par Benda à la fin du 12ème siècle et la théorie de «l'endosymbiose» est la plus largement acceptée quant à son origine. Cela a été publié en 1967 par Lynn Margulis, dans le Journal of Theoretical Biology.

La théorie de «l'endosymbiose» situe l'origine des mitochondries il y a des millions d'années. Il est théorisé qu'un ancêtre cellulaire des cellules eucaryotes a «englouti» et incorporé un organisme semblable à une bactérie dans son métabolisme, qui est devenu plus tard ce que nous connaissons maintenant sous le nom de mitochondries.

caractéristiques

Chez les mammifères, généralement tout le génome qui comprend l'ADN mitochondrial est organisé en un chromosome circulaire de 15 000 à 16 000 paires de nucléotides ou, ce qui est pareil, de 15 à 16 Kb (kilobases).

À l'intérieur de la plupart des mitochondries, vous pouvez obtenir plusieurs copies du chromosome mitochondrial. Dans les cellules somatiques humaines (cellules non sexuelles), il est courant de trouver au moins 100 copies du chromosome mitochondrial.

Chez les plantes supérieures (angiospermes), l'ADN mitochondrial est généralement beaucoup plus gros, par exemple, dans le plant de maïs, le chromosome circulaire de l'ADN mitochondrial peut mesurer jusqu'à 570 Kb.

L'ADN mitochondrial occupe environ 1% de l'ADN total des cellules somatiques de la plupart des animaux vertébrés. C'est un ADN très conservé dans le règne animal, contrairement à ce qui est observé dans les plantes, où il existe une grande diversité.

Dans certaines cellules eucaryotes «géantes» telles que les ovules (cellules sexuelles féminines) de mammifères ou dans des cellules contenant de nombreuses mitochondries, l'ADN mitochondrial peut représenter jusqu'à 1/3 de l'ADN cellulaire total.

L'ADN mitochondrial a des propriétés différentes de l'ADN nucléaire: il a une densité et un rapport de paires de bases guanine-cytosine (GC) et adénine-thymine (AT) différents.

La densité de paires de bases GC dans l'ADN mitochondrial est de 1,68 g / cm3 et la teneur est de 21%; tandis que dans l'ADN nucléaire, cette densité est de 1,68 g / cm3 et la teneur est d'environ 40%.

Caractéristiques

L'ADN mitochondrial possède au moins 37 gènes essentiels au fonctionnement normal des mitochondries. Sur ces 37, 13 possèdent les informations nécessaires pour produire les enzymes impliquées dans la phosphorylation oxydative.

Ces 13 gènes codent pour 13 composants polypeptidiques des complexes enzymatiques qui appartiennent à la chaîne de transport d'électrons et sont situés dans la membrane interne des mitochondries.

Malgré les 13 polypeptides que l'ADN mitochondrial contribue à la chaîne de transport d'électrons, il est composé de plus de 100 polypeptides différents. Cependant, ces 13 composants sont essentiels pour la phosphorylation oxydative et la chaîne de transport d'électrons.

Schéma de l'ADN mitochondrial (Source: Mikibc ~ commonswiki, via Wikimedia Commons)

Parmi les 13 polypeptides synthétisés à partir d'ADN mitochondrial, se détachent les sous-unités I, II et III du complexe cytochrome C oxydase et la sous-unité VI des pompes ATPase noyées dans la membrane interne de l'organelle.

Les informations nécessaires à la synthèse du reste des composants qui composent les mitochondries sont codées par des gènes nucléaires. Celles-ci sont synthétisées dans le cytoplasme comme le reste des protéines cellulaires puis importées dans les mitochondries grâce à des signaux spécifiques.

Dans la phosphorylation oxydative, les atomes d'oxygène et de sucre tels que le glucose sont utilisés pour la synthèse ou la formation d'adénosine triphosphate (ATP), qui est l'espèce chimique utilisée par toutes les cellules comme source d'énergie.

Les gènes mitochondriaux restants ont les instructions pour synthétiser les ARN de transfert (ARNt), les ARN ribosomaux et l'enzyme aminoacyl-ARN transférase-synthétase (ARNt), nécessaire à la synthèse des protéines dans les mitochondries.

Patrimoine

Jusqu'à relativement récemment, on pensait que l'ADN mitochondrial était transmis exclusivement par héritage maternel, c'est-à-dire par descendance directe de la mère.

Cependant, un article publié par Shiyu Luo et ses collègues dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) en janvier 2019, a révélé que dans de rares cas, l'ADN mitochondrial peut être hérité des deux parents, les deux du père comme de la mère.

Avant la publication de cet article, c'était un fait pour les scientifiques que le chromosome Y et l'ADN mitochondrial étaient hérités intacts du père et de la mère, respectivement, à la progéniture.

L'héritage «intact» des gènes du chromosome Y des gènes mitochondriaux implique que ledit matériel génétique ne subit pas de modifications par recombinaison et, au fil des années, ne varie que du fait de mutations spontanées, donc la variation est assez faible.

Pour cette raison, la plupart des études de mobilisation de population sont effectuées sur la base de ces gènes, car, par exemple, il est facile pour les généticiens de construire des arbres généalogiques en utilisant l'ADN mitochondrial.

Une grande partie de l'histoire humaine a été reconstruite à travers l'histoire génétique de l'ADN mitochondrial. De nombreuses maisons de commerce proposent même de clarifier le lien familial de chaque vivant avec ses ancêtres grâce à des techniques qui étudient ces caractéristiques.

Réplication

Le premier modèle de réplication de l'ADN mitochondrial a été proposé en 1972 par Vinograd et ses collaborateurs et ce modèle est toujours valide, avec quelques modifications. De manière générale, le modèle est basé sur une réplication unidirectionnelle qui commence à deux origines différentes de réplication.

Les scientifiques classent le chromosome mitochondrial en deux chaînes différentes, la chaîne lourde, H ou OH, de l'anglais «heavy» et light chain, L ou OL de l'anglais «light». Celles-ci sont identifiées et localisées dans les deux cadres de lecture ouverts non attribués (URF) sur le chromosome mitochondrial.

La réplication du génome mitochondrial commence dans la chaîne lourde (OH) et se poursuit dans une direction jusqu'à ce que la longueur totale de la chaîne légère (OL) soit produite. Par la suite, des protéines appelées «protéines de liaison à l'ADN monocaténaire mitochondrial» sont attachées pour protéger la chaîne qui fonctionne comme «mère» ou «matrice».

Les enzymes responsables de la séparation pour la réplication (réplicosome) passent dans la bande lumineuse (OL) et une structure en boucle se forme qui bloque la liaison des protéines de liaison à l'ADN monocaténaire mitochondrial.

Dans cette boucle, l'ARN polymérase mitochondriale se lie et la synthèse de la nouvelle amorce commence. La transition vers la synthèse des chaînes lourdes (OH) se produit 25 nucléotides plus tard.

Juste au moment de la transition vers la chaîne lourde (OH), l'ARN polymérase mitochondriale est remplacée par l'ADN polymérase réplicative mitochondriale à l'extrémité 3 ', où la réplication a commencé initialement.

Enfin, la synthèse des deux chaînes, à la fois lourdes (OH) et légères (OL) se déroule en continu jusqu'à ce que deux molécules circulaires complètes d'ADN double brin (double brin) soient formées.

Maladies liées

Il existe de nombreuses maladies liées à un dysfonctionnement de l'ADN mitochondrial. La plupart sont causés par des mutations qui endommagent la séquence ou les informations contenues dans le génome.

Perte auditive par rapport à l'âge

L'une des maladies les mieux étudiées qui a été directement liée à des changements dans le génome de l'ADN mitochondrial est la perte auditive due à l'âge croissant.

Cette condition est le produit de facteurs génétiques, environnementaux et liés au mode de vie. À mesure que les gens vieillissent, l'ADN mitochondrial accumule des mutations nocives, telles que des délétions, des translocations, des inversions, etc.

Les dommages à l'ADN mitochondrial sont principalement causés par l'accumulation d'espèces réactives de l'oxygène, ce sont des sous-produits de la production d'énergie dans les mitochondries.

L'ADN mitochondrial est particulièrement vulnérable aux dommages, car il n'a pas de système de réparation. Par conséquent, les changements causés par les espèces réactives de l'oxygène endommagent l'ADN mitochondrial et provoquent un dysfonctionnement de l'organite, entraînant la mort cellulaire.

Les cellules de l'oreille interne ont une forte demande d'énergie. Cette demande les rend particulièrement sensibles aux dommages à l'ADN mitochondrial. Ces dommages peuvent altérer de manière irréversible la fonction de l'oreille interne, entraînant une perte totale d'audition.

Cancers

L'ADN mitochondrial est particulièrement sensible aux mutations somatiques, mutations qui ne sont pas héritées des parents. Ces types de mutations se produisent dans l'ADN de certaines cellules tout au long de la vie d'une personne.

Il existe des preuves qui relient les altérations de l'ADN mitochondrial résultant de mutations somatiques à certains types de cancer, des tumeurs dans les glandes mammaires, dans le côlon, dans l'estomac, dans le foie et dans le rein.

Des mutations de l'ADN mitochondrial ont également été associées à des cancers du sang tels que la leucémie et des lymphomes (cancer des cellules du système immunitaire).

Les spécialistes associent les mutations somatiques de l'ADN mitochondrial à une augmentation de la production d'espèces réactives de l'oxygène, des facteurs qui augmentent les dommages à l'ADN mitochondrial et créent un manque de contrôle de la croissance cellulaire.

On sait peu de choses sur la façon dont ces mutations augmentent la division cellulaire incontrôlée des cellules et comment elles finissent par se développer en tant que tumeurs cancéreuses.

Syndrome de vomissement cyclique

Certains cas de vomissements cycliques, typiques de l'enfance, seraient liés à des mutations de l'ADN mitochondrial. Ces mutations provoquent des épisodes récurrents de nausées, de vomissements et de fatigue ou de léthargie.

Les scientifiques associent ces épisodes de vomissements au fait que les mitochondries avec l'ADN mitochondrial endommagé peuvent affecter certaines cellules du système nerveux autonome, affectant des fonctions telles que la fréquence cardiaque, la pression artérielle et la digestion.

Malgré ces associations, on ne sait pas encore comment les modifications de l'ADN mitochondrial provoquent des épisodes récurrents de syndrome de vomissement cyclique.

Références

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