Étude du protéome alternatif d'origine mitochondriale chez l'humain

Abstract

Les mitochondries, organelles d’origine bactérienne, sont trouvées dans les cellules de presque tous les organismes eucaryotes. Elles exercent des rôles centraux dans les fonctions cellulaires tels que la production d’énergie, la signalisation cellulaire et l’apoptose et ont aussi un impact sur le vieillissement ainsi que certains cancers et maladies neurodégénératives. Chez l’humain et les mammifères en général, le génome mitochondrial est une molécule d’ADN double brin circulaire composée de 37 gènes. Seulement 13 de ces gènes codent des protéines mitochondriales et les 24 autres produisent 22 ARNt (ARN de transfert) et 2 ARNr (ARN ribosomal) qui sont nécessaires à la traduction des 13 protéines mitochondriales. L’ADNmt (ADN mitochondrial) étant très compact, ceci suggère qu’il y a peu de possibilités pour des nouveautés évolutives. Cependant, de récentes recherches ont permis de révéler la présence de près d’une dizaine de petits ORF (cadres de lecture ouverts) fonctionnels à l’intérieur des gènes mitochondriaux 12S ARNr et 16S ARNr. Ceci remet en question la complexité du génome mitochondrial et montre que son potentiel codant a été sous-estimé. Une analyse approfondie du génome mitochondrial humain a révélé la présence de 227 séquences potentiellement traduites en protéines mitochondriales à travers l’ensemble du génome. Dans cette étude, nous avons sélectionné 9 de ces 227 séquences afin de déterminer si effectivement, elles produisent un peptide identifiable. Pour ce faire, des expériences d’immunobuvardage, d’immunofluorescence et d’immunoprécipitation ont été réalisées sur des cellules HeLa et des cellules HEK293T. Ces expériences ont permis d’identifier une protéine mitochondriale alternative nommée MTALTND4 dont la séquence codante est trouvée à l’intérieur du gène nd4, dans un cadre de lecture alternatif. MTALTND4 est traduite dans la mitochondrie et peut être exportée dans le cytoplasme ainsi qu’à l’extérieur de la cellule puisqu’elle a été retrouvée dans le plasma humain. Bien que la fonction de cette protéine n’ait pas encore été confirmée, des résultats préliminaires indiquent qu’elle a un impact sur la respiration cellulaire. MTALTND4 diminue la respiration mitochondriale et nos résultats suggèrent que son action serait induite par l’hypoxie. La découverte de ce nouveau gène mitochondrial humain confirme que le potentiel codant du génome mitochondrial est beaucoup plus vaste que ce que nous croyions. Il existe fort probablement encore plusieurs autres protéines mitochondriales dont les effets pourraient se révéler d’une grande importance. En effet, plusieurs des protéines dérivées du génome mitochondrial découvertes à ce jour ont des impacts majeurs au niveau du métabolisme et pourraient agir en tant que molécules thérapeutiques importantes. Nos résultats amènent à repenser l’évolution et les pressions de sélection exercées sur le génome mitochondrial et ouvrent la porte à de nombreuses recherches futures qui permettront de re-caractériser le génome mitochondrial et d’avoir une compréhension encore plus approfondie du rôle des mitochondries dans les fonctions cellulaires.

Mitochondria, organelles of bacterial origin, are found in almost every eukaryotic organism and play a central role in cellular functions such as energy production, cellular signaling and apoptosis and are also known to have an impact on aging, certain cancers and neurodegenerative diseases. In humans and mammals in general, the mitochondrial DNA is a small double-stranded circular molecule coding for only 37 genes. Only 13 of them code for mitochondrial proteins and the other 24 genes produce 22 tRNAs (transfer RNA) and 2 rRNAs (ribosomal RNA) necessary for the translation of the 13 protein coding genes. The extremely compact nature of mtDNA (mitochondrial DNA) suggests that there is little room for evolutionary novelties. However, recent research revealed the presence of about ten small functional ORFs inside the mitochondrial genes 12S rRNA and 16S rRNA. This calls into question the complexity of the mitochondrial genome and shows that its coding potential has been greatly underestimated. A thorough examination of the human mitochondrial genome revealed the presence of 227 sequences potentially translated into mitochondrial alternative proteins across the entire genome. In this study, we selected 9 of the 227 sequences to determine if they indeed produce identifiable peptides. This was done by immunoblotting, immunofluorescence and immunoprecipitation experiments on HeLa and HEK293T cells. These experiments allowed us to identify one alternative protein named MTALTND4 whose coding sequence is found inside the nd4 gene, in an alternative sequence. MTALTND4 is translated inside the mitochondria and can be exported in the cytoplasm as well as outside the cell since it has been found in human plasma. Although the function of this protein has not yet been confirmed preliminary results indicate its impact on cellular respiration. MTALTND4 decreases mitochondrial respiration and our results suggest that its action could be induced by hypoxia. The discovery of this new human mitochondrial gene confirms that the coding potential of the mitochondrial genome is much larger than we thought. There are most likely still many other mitochondrial proteins whose effects could prove to be of great importance. Indeed, several of the mitochondrial derived proteins discovered to date have major impacts on metabolism and could act as important therapeutic molecules. Our results lead to rethink the evolution and the selection pressures exerted on the mitochondrial genome and open the door to many future researches which will allow to re-characterize the mitochondrial genome and to have an even deeper understanding of the role of mitochondria in cellular functions.