Supercomplexes multifonctionnels chez les mitochondries, et chez E. coli

Abstract

Les processus mitochondriaux tels que la réplication et la traduction sont effectués par des complexes multiprotéiques. Par contre, le métabolisme et la voie de maturation des ARN mitochondriaux (p. ex précurseurs des ARNt et des ARNr) sont habituellement traités comme une suite de réactions catalysées par des protéines séparées. L’exécution fidèle et optimale de ces processus mitochondriaux, exige un couplage étroit nécessaire pour la canalisation des intermédiaires métaboliques. Or, les évidences en faveur de l'interconnexion postulée de ces processus cellulaires sont peu nombreuses et proviennent en grande partie des interactions protéine-protéine. Contrairement à la perception classique, nos résultats révèlent l’organisation des fonctions cellulaires telles que la transcription, la traduction, le métabolisme et la régulation en supercomplexes multifonctionnels stables, dans les mitochondries des champignons (ex Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans et Neurospora crassa), des animaux (ex Bos taurus), des plantes (B. oleracea et Arabidopsis thaliana) et chez les bactéries (ex E. coli) à partir desquelles les mitochondries descendent. La composition de ces supercomplexes chez les champignons et les animaux est comparable à celle de levure, toutefois, chez les plantes et E. coli ils comportent des différences notables (ex, présence des enzymes spécifiques à la voie de biosynthèse des sucres et les léctines chez B. oleracea). Chez la levure, en accord avec les changements dûs à la répression catabolique du glucose, nos résultats révèlent que les supercomplexes sont dynamiques et que leur composition en protéines dépend des stimulis et de la régulation cellulaire. De plus, nous montrons que l’inactivation de la voie de biosynthèse des lipides de type II (FASII) perturbe l’assemblage et/ou la biogenèse du supercomplexe de la RNase P (responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNt), ce qui suggère que de multiples effets pléiotropiques peuvent être de nature structurale entre les protéines. Chez la levure et chez E. coli, nos études de la maturation in vitro des précurseurs des ARNt et de la protéomique révèlent l’association de la RNase P avec les enzymes de la maturation d’ARNt en 3’. En effet, la voie de maturation des pré-ARNt et des ARNr, et la dégradation des ARN mitochondriaux semblent êtres associées avec la machinerie de la traduction au sein d’un même supercomplexe multifonctionnel dans la mitochondrie de la levure. Chez E. coli, nous avons caractérisé un supercomplexe similaire qui inclut en plus de la RNase P: la PNPase, le complexe du RNA degradosome, l’ARN polymérase, quatre facteurs de transcription, neuf aminoacyl-tRNA synthétases, onze protéines ribosomiques, des chaperons et certaines protéines métaboliques. Ces résultats supposent l’association physique de la transcription, la voie de maturation et d’aminoacylation des ARNt, la dégradation des ARN. Le nombre de cas où les activités cellulaires sont fonctionnellement et structurellement associées est certainement à la hausse (ex, l’éditosome et le complexe de la glycolyse). En effet, l’organisation en supercomplexe multifonctionnel représente probablement l’unité fonctionnelle dans les cellules et les analyses de ces super-structures peuvent devenir la prochaine cible de la biologie structurale.

It is known that processes such as transcription, translation and intron splicing require a multitude of proteins (plus a few non-protein components) organized in large ‘molecular machines’. But, according to traditional views, processing of RNA precursors (e.g., tRNA and rRNA) and metabolic pathways are pools of individual enzymes (single proteins or small complexes), with sequential enzymatic reaction steps connected via diffusible metabolites. This perception is incompatible with the ‘molecular crowding’ in most cellular compartments (e.g., 60% in the mitochondrial matrix). It is also not in line with the cumulating indirect evidence from comprehensive studies of protein-protein interactions and affinity purification, showing that numerous protein complexes involving different metabolic and regulatory processes are interconnected. However, direct evidence of extensive cross-talk among diverse cellular processes remains to be clearly demonstrated. Here we show that in mitochondria of yeast and other fungi (Neurospora crassa and Rhizopus oryzae), animal (Bos taurus), plant (Brassica oleracea), and in E. coli (standing for the “bacterial ancestor” of mitochondria), metabolism is physically interlinked (in supercomplexes) with translation, replication, transcription and RNA processing. Further, the supercomplexes also contain a variety of helper proteins, in support of earlier reports that describe such proteins as important structural units assisting complex assembly. Whereas the composition of supercomplexes in fungi (e.g., Neurospora crassa), animals and yeast is relatively similar, plants and E. coli present substantial compositional differences (e.g., plant-specific enzymes involved in the biosynthesis of sugars and secondary metabolites). In yeast, the supercomplex pattern of glucose-repressed cells is completely different from that of cells grown on galactose/glycerol, and the protein composition perfectly correlates with known regulatory changes under glucose repression. The destabilization of the complex organization is also illustrated by the deletion of genes in the mitochondrial fatty acid type II biosynthetic pathway (mutant strain oar1Δ). Mutants have both, a defect in fatty acid synthesis and in 5’ processing of mitochondrial tRNA, and no longer have a supercomplex containing Oar1p and components of RNase P (5’ tRNA processing). The pleiotropic mutant phenotype is best explained by a structural (assembly) defect. Also in yeast mitochondria, we demonstrate that RNase P and tRNA Z activities are part of a large complex, which further includes the RNA degradosome complex, five additional RNA processing proteins, and several other mitochondrial pathways. 5’ and 3’ tRNA processing enzymes are also associated in a large, multifunctional supercomplex in E. coli that includes six out of the seven proteins of the RNA degradosome, nine aminoacyl-tRNA synthases, RNA polymerase plus four transcription factors, eleven ribosomal proteins plus four translation factors, several components of protein folding and maturation, and a small set of metabolic enzymes. Apparently, not only is RNA processing coordinated, but it is also structurally connected to aminoacylation, transcription and other cellular functions. The number of documented cases where functionally related activities are structurally integrated is definitely increasing (e.g., editosome, glycolysis complex, etc). Indeed, structural integration of related functions and pathways may turn out to be a principle and the analyses of such super-structures may become a next structural biology frontier.