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Le protéome de la mitochondrie représente la totalité des protéines présentes dans la mitochondrie à un moment donnée de son évolution. Les protéines mitochondriales sont codées par le génome mitochondrial et produites dans la mitochondrie.

Une grande partie des complexes enzymatiques (par exemple l’ATP synthase) sont synthétisés par juxtaposition de peptides  produits soit à l’intérieur des mitochondries soit dans le cytosol cellulaire.

Le protéines du protéome mitochondrial est exclusivement mitochondrial bien que les mitochondries sont d’origine bactérienne. Chez les levure 40-60% des protéines mitochondriales sont homologues à celles des procaryotes [1] M.W. Gray, G. Burger & B.F. Lang, « The origin and early evolution of mitochondria », Genome Biology, vol. 2, no 6,‎ 5 juin 2001, ...continue.

La mobilité mitochondriale est assurée par l’association d’un complexe formé par kinésine et la dynéine aux microtubules.

Les Protéines mitochondriales sont codées par deux génomes nucléaire et mitochondrial. Chez l’homme, le génome mitochondrial code seulement pour 13 protéines; les 99% des protéines mitochondriales restantes sont codées par des gènes nucléaires et sont synthétisés comme précurseurs sur les ribosomes cytosoliques et sont ensuite importées dans les mitochondries (Bolender et al . , 2008 ).

Pour comprendre le rôle des mitochondries dans la santé et la maladie, il est important de connaître la composition protéique de cette organelle. Pagliarini et al. (2008) signalent une étape importante dans la compilation d’un recueil complet des protéines mitochondriales de mammifères (appelé la MitoCarta).

Des études antérieures ont conduit à l’identification de près de 700 protéines mitochondriales différentes chez les mammifères, à peu près la moitié du nombre présumé (Gaucher et al., 2004 , Forner et al., 2006 ).

On comparant les deux études, l’étude de Pagliarini et al. établit une liste de près de 1100 gènes codant pour des protéines mitochondriales de la souris en combinant : identification expérimentale, analyse bioinformatique et de la littérature curation ( Figure ).

Caractérisation du protéome mitochorial

Environ un quart des protéines du protéome mitochondrial de la souris ont des fonctions biologiques inconnues; une proportion similaire de protéines avec des fonctions inconnues ont été signalés dans le protéome mitochondrial de la levure (Reinders et al., 2006 ). L’étude de Pagliarini et al. représente un effort impressionnant, avec une analyse de la teneur en protéines des mitochondries à partir de 14 différents tissus de souris. Environ 750 protéines différentes mitochondriaux ont été trouvées y compris la majorité des sous – unités de la machine de la phosphorylation oxydative (OXPHOS). Compte tenu de la couverture présumée du protéome mitochondrial, un tissu donné peut exprimer 900-1000 protéines mitochondriales différentes. Remarquablement, ce nombre est similaire au nombre de protéines mitochondriales estimé pour la levure (~1000) (Reinders et al., 2006 ), ce qui suggère que les organismes unicellulaires peuvent avoir des exigences similaires sur la composition et la diversité fonctionnelle de leurs mitochondries comme le font les mitochondries des tissus des eucaryotes supérieurs. Ainsi, la diversité des tissus est une raison probable de la taille relativement plus grande du protéome mitochondrial chez les mammifères par rapport à celui chez la levure.

Quelles approches sont susceptibles de conduire à l’identification fiable des constituants du protéome mitochondrial?

L’approche la plus directe utilise la spectrométrie de masse, cette approche nécessite une préparation mitochondriale très pure (Sickmann et al., 2003 , Gaucher et al., 2004 , Prokisch et al., 2004 , Reinders et al., 2006 ) ou que l’analyse soit jumelée avec une évaluation quantitative des contaminants en comparant les fractions mitochondriales brutes et purifiées , et l’ identification des protéines enrichies dans la fraction purifiée (Forner et al., 2006 , Pagliarini et al., 2008 ).
Pagliarini et al. ont directement identifié ~710 protéines provenant des mitochondries de mammifères purifiées. Seules les études du protéome de levure ont identifié un plus grand nombre de protéines mitochondriales authentiques (~850) (Reinders et al., 2006 ). Le marquage protéique avec une protéine fluorescente verte (GFP) est largement utilisé pour évaluer la localisation intracellulaire des protéines. Bien que les études de marquage du génome entier aient fourni des informations importantes sur la distribution subcellulaire, les résultats pour les protéines individuelles nécessitent une évaluation critique. Les marqueurs fluorescents peuvent interférer avec la bonne importation de protéines ou même conduire à une mauvaise localisation (Sickmann et al., 2003). Pagliarini et al. ont dérivé un nombre relativement faible de protéines mitochondriales dans leur base de données MitoCarta en utilisant l’approche GFP-tagging (marquage fluorescent). De plus, ils ont intégré des données provenant de diverses sources telles que les prédictions bioinformatiques des signaux de ciblage mitochondrial, l’homologie dans les comparaisons avec les protéines mitochondriales de levure précédemment identifiées, et la littérature des recherches qui les ont aider à identifier à peu près ~1100 gènes de protéines mitochondriales.

Bien que l’intégration des données provenant de sources multiples soit une approche intéressante, il est essentiel d’évaluer la validité de ces sources. La prédiction de la localisation mitochondriale est généralement basée sur la présence d’une pré – séquence amino-terminale qui se trouve dans moins de 50% des protéines mitochondriales (Sickmann et al., 2003Bolender et al., 2008 ). La qualité des bases de données de protéines varie également de manière significative. Par exemple, la base de données du génome de Saccharomyces  établit une norme élevée pour l’annotation des gènes et des protéines , alors que certaines études protéomiques d’eucaryotes supérieurs surestiment le nombre de protéines identifiées en raison de la présence de plusieurs entrées pour une même protéine.

Le protéome mitochondrial de la souris, est-t-il complet?

Sur la base d’un ensemble de protéines mitochondriales, Pagliarini et al estiment que leur recueil couvre plus de 85% des gènes codant pour des protéines mitochondriales. Ainsi, compte tenu du taux de fausses découvertes de ~10%, ils calculent que les souris ne peuvent contenir que ~1130 gènes authentiques pour les protéines mitochondriales.

Cependant, leur analyse par spectrométrie de masse n’ont pas conduit à l’identification de tous les sous – unités connues de la machinerie de la phosphorylation oxydative, alors que dans une étude du protéome mitochondrial de la levure (avec une couverture estimée à 84%), tous les sous – unités OXPHOS connues ont été identifiées (Reinders et al., 2006 ). L’ensemble des protéines mitochondriales de levure de référence comprend de nombreuses protéines de très faible abondance, qui ont été identifiés par des études génétiques, alors que l’ensemble de référence des protéines mitochondriale de la souris peut contenir plus de protéines de plus grande abondance. Il est intéressant de noter que , dans la première étude protéomique à grande échelle des mitochondries de levure (~750 protéines), une couverture de 90% a été calculé sur la base du jeu de références disponible à ce moment (Sickmann et al., 2003 ). Toutefois, les dernières études ont identifié ~850 protéines (PROMITO dataset), et sur la base d’un ensemble de référence mises à jour, une couverture de 84% a été calculée (Reinders et al., 2006 ) ( figure: caractérisation du protéome mitochondrial).

Cela place l’estimation actuelle de différentes protéines de levure mitochondriales au ~1000 (la couverture de la première étude est maintenant calculé à -75%). Bien que Pagliarini et al. (2008) aient manifestement réalisé l’étude la plus complète du protéome mitochondrial des mammifères à ce jour, la couverture des protéines mitochondriales peut être inférieure à 85% et le nombre total de gènes de mammifères pour les protéines mitochondriales pourrait approcher 1500.

Le défi sera de prendre cet inventaire et de déterminer comment les protéines individuelles fonctionnent et sont intégrées. La suppression de l’ensemble des gènes du génome des levure et la recherche d’homologie a ouvert la voie vers la classification de la fonction de nombreuses nouvelles protéines mitochondriales (Sickmann et al., 2003 , Prokisch et al., 2004 , Bolender et al., 2008 ). Les études sont soutenues par des analyses de protéines à grande échelle dans la levure. Chez les mammifères, les études à grande échelle utilisant l’ ARNi aideront également à assigner des fonctions aux protéines mitochondriales nouvellement identifiée. Le profilage phylogénétique a été utilisé par Pagliarini et al.  pour identifier de nouveaux facteurs qui sont impliqués dans l’assemblage du complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale. Le complexe I contient ~ 45 sous – unités différentes qui sont assemblées à la membrane interne mitochondriale par un processus en plusieurs étapes complexes ( Lazarou et al., 2007 ). Pagliarini et al. ont construit un arbre phylogénétique de plus de 40 eucaryotes et analysé la présence de sous – unités de complexes I. Ils ont noté que le complexe I, qui était présent dans l’ancêtre bactérien des mitochondries, qui a été perdu au moins quatre fois au cours de l’évolution, par exemple , dans plusieurs espèces de levure. En supposant que les espèces qui ont perdu leur complexe I ont également perdu les facteurs d’assemblage pour ce complexe, puis ils ont identifié 19 protéines avec la même théorie évolutive. Ils ont montré expérimentalement que plusieurs de ces protéines ont été nécessaires pour le fonctionnement du complexe I. Plus important encore , ils ont identifié un nouveau gène, C8orf38 , qui est muté dans une maladie humaine héritée du complexe I. Cela démontre comment l’approche à grande échelle combinée à une analyse raffinée conduit à de nouvelles découvertes importantes au niveau de chaque protéine.

Les mitochondries ne sont des organelles totalement indépendante avec le reste de la cellule mais sont intégrés dans de nombreux processus fonctionnels, métaboliques, et des réseaux de signalisation avec d’autres compartiments cellulaires . Par ailleurs, dans les eucaryotes supérieurs et inférieurs, un nombre croissant (10% ou plus) de protéines mitochondriales possèdent une double localisation cellulaire ( Sickmann et al., 2003 , Pagliarini et al., 2008 ).Les défis à venir comprennent l’analyse des assemblages supramoléculaires qui forment de grandes machines à sous -compartiments mitochondriaux et la définition des réseaux de signalisation mitochondriales et comment ils sont intégrés dans la cellule.[2]C Meisinger, A Sickmann, N Pfanner. The Mitochondrial Proteome: From Inventory to Function. 11 July 2008, Volume 134, Issue 1, p22–24

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Références   [ + ]

1. M.W. Gray, G. Burger & B.F. Lang, « The origin and early evolution of mitochondria », Genome Biology, vol. 2, no 6,‎ 5 juin 2001, reviews1018.1–1018.5
2. C Meisinger, A Sickmann, N Pfanner. The Mitochondrial Proteome: From Inventory to Function. 11 July 2008, Volume 134, Issue 1, p22–24

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